囚禁离子量子模拟器中的量子相变起始

量子模拟器是一种可控的量子系统，能够模拟另一个量子系统的行为，而后者可能需要指数级增长的经典计算资源来理解。20 世纪 80 年代，费曼提出在标准可控量子系统上使用量子逻辑门来高效模拟模型哈密顿量的行为。利用囚禁离子和中性原子的近期实验实现了在外部磁场存在下伊辛模型的量子模拟，并展示了在生成非平凡伊辛耦合模式方面几乎任意的控制能力。本文我们使用激光冷却的囚禁 171-Yb+ 离子，通过在横向磁场中实现全连接非均匀铁磁性伊辛模型来模拟相互作用自旋系统中磁性的涌现。为了将这一量子模拟与凝聚态物理联系起来，我们测量了适用于描述更大系统的可扩展关联函数和序参量，如磁化强度的各阶矩。通过增大伊辛耦合强度相对于外部场的比值，系统从 N = 2 到 9 个囚禁离子自旋的标度增大时，顺磁性到铁磁序的交叉变得更加尖锐。这指向了一个量子相变的起始，当系统趋近宏观尺度时应变得无限尖锐。我们将测量到的基态序与理论进行了比较；对于非均匀伊辛耦合，当自旋数超过 20-30 时理论计算可能变得不可行，对于全连接 frustrated 伊辛模型甚至可能成为 NP 完全问题，这使得该实验成为大规模量子模拟的重要基准。