基于光子带隙超材料的可扩展长程连接超导量子模拟器

在实验室中合成多体量子系统有助于深入理解量子材料的涌现行为，其性质可能为能量转换、信号传输或信息处理提供改进方法。虽然大多数可工程化的多体系统或量子模拟器由格点上具有局域相互作用的粒子组成，但具有长程相互作用的量子系统因量子纠缠与关联在时空上的快速生长而尤其难以建模且引人关注。在此，我们提出一种可扩展的量子模拟器架构，其基于一列超导量子比特的线性阵列，各量子比特局域连接至可扩展的光子带隙超材料。该超材料既作为介导量子比特间相互作用的量子总线，也作为多路复用量子比特态测量的读出通道。作为初步演示，我们实现了一个10量子比特的一维Bose-Hubbard模型模拟器，其跳跃范围与在位相互作用均可原位调节。我们利用基于量子多体混沌的高效测量协议刻画了系统的哈密顿量。进一步，我们研究了系统的多体猝灭动力学，通过全局比特串统计揭示了随跳跃范围增大而预期的从可积到遍历性的交叉。本文提出的超材料量子总线架构可扩展至二维晶格系统，并可用于生成广泛的量子比特相互作用，从而拓展模拟量子模拟可实现的哈密顿量范围，并增加基于门计算中实现量子线路的灵活性。