Fysikere spår de nye sammenfiltrede tilstandene på programmerbare kvantesimulatorer

Kvantevitenskap har ikke bare utdypet menneskelig forståelse av materiens struktur og dens mikroskopiske interaksjoner, men også introdusert et nytt paradigme for databehandling og informasjonsvitenskap – kvanteberegning og kvantesimulering. Kvanteinformatikkforskning har vunnet Nobelprisen i fysikk i 2022.

Blant mange kvanteberegning og simuleringsplattformer, regnes Rydberg Atom Arrays som det mest lovende systemet som viser kvanteoverlegenhet blant mange programmerbare kvantesimulatorplattformer de siste årene på grunn av dets største antall qubits og høyeste eksperimentelle nøyaktighet.

Slike optiske gitter består av individuelle nøytrale jordalkaliatomer med betydelige dipolmomenter fanget i arrays av mikroskopiske dipolfeller, som kan flyttes optisk etter ønske for å lage ønsket gittergeometri. Hvert atom kan eksiteres til sin Rydberg-tilstand, og et par eksiterte tilstander samhandler gjennom deres dipolmomenter via en langdistanseinteraksjon.

Slike Rydberg-atommatriser antas av mange å være systemet med det høyeste nivået av eksperimentell presisjon og antall qubits de siste årene innenfor alle plattformer for programmerbare kvantesimulatorer. Observasjonene av kvantefaseoverganger og signaturen til topologiske ordener fra Rydberg-atommatriser er rapportert med enorm hastighet.

Langdistanseinteraksjonen og Rydberg-blokademekanismen i disse optiske gittrene kan imidlertid ha både fordeler og ulemper. På den ene siden gir de opphav til den høye presisjonen til eksperimentell kvantekontroll, som nevnt ovenfor. Likevel, på den annen side, håndhever de begrensningene for å modellere systemet.

Slike kvantebegrensede mangekroppssystemer er blant de vanskeligste å studere fra teoretiske og numeriske perspektiver. Uten en presis teoretisk forståelse av de komplette fasediagrammene og nye kvantefaser, vil fremtidige eksperimenter ikke ha noen veiledning for å fortsette.

En slik tilsynelatende gåte, som alle forskere på feltet står overfor, er delvis og vesentlig løst ved en felles innsats av forskningsassistentprofessor Zheng Yan og førsteamanuensis Zi Yang Meng fra Fysisk institutt, University of Hong Kong (HKU) og den anerkjente fysikeren professor Subir Sachdev (medlem av American Academy of Arts and Sciences) fra Harvard University og hans daværende student Dr. Rhine Samajdar nå postdoktor ved Princeton University og Dr. Yan-Cheng Wang (forsker) fra Beihang Hangzhou Innovation Institute Yuhang i Hangzhou . Forskningsarbeidet deres er publisert i den siste utgaven av Naturkommunikasjon.

De designet en ny trekantet gitterkvantedimermodell med myke begrensninger for å være så nærme som mulig eksperimentelle forhold og utviklet den sveipende klyngealgoritmen for kvante-Monte Carlo-simuleringer som kunne løse slike myke-begrensede kvante-mangekroppssystemer effektivt.

Deres simuleringer og teoretisk analyse vellykket kartlegge det forventede fasediagrammet til Rydberg-arrays på Kagome-gitteret. De fant ikke bare de forventede og konvensjonelle nematiske og forskyvningstypene av de faste fasene, men også de eksotiske svært sammenfiltrede Z2 kvantespinnvæskene (QSL) med store parameterregimer i fasediagrammet.

De identifiserer disse nye fasene ved å designe ikke-lokale målinger av strengoperatorer og andre fysiske observerbare i kvante-Monte Carlo-simuleringene. Forskjellen mellom QSL og triviell paramagnetisk fase skilles med hell. Det mest spennende er at en bane som forbinder odde Z2 QSL, trivial paramagnetic (PM) faseog til og med QSL og faste faser har blitt avslørt, noe som er veldig nyttig for å lede Rydberg-array-eksperimentet.

I tillegg har de også studert dynamikken og interaksjonene til de fraksjonerte kvasipartikler (visons) i Z2 QSL for å gi mer eksperimentelt sannsynlige bevis.

Disse resultatene fremhever rikdommen til deres begrensede modeller avledet for Rydberg-arraysystemer og utnytter forskjellige nye faser indusert av langdistanseinteraksjonene og Rydberg-blokademekanismen.

---

---