在囚禁离子量子计算机上模拟二维阻挫横场 Ising 模型的变分量子模拟
量子物理
2025-07-18 v3
摘要
由于经典计算技术的局限性，特别是对于表现出量子相变的系统，量子计算机是研究强关联系统基态性质的理想平台。尽管含噪中等规模量子（NISQ）计算机的错误率仍然很高，但在此类设备上模拟强关联系统并提取可能相的信息或许已触手可及。阻挫横场 Ising 模型（TFIM）就是这样一个具有多种有序磁性相的系统。在本研究中，我们在零温下模拟了具有次近邻自旋交换相互作用的二维阻挫 TFIM。最近邻铁磁耦合与次近邻反铁磁耦合之间的竞争导致了系统中的阻挫。此外，量子涨落的存在使得基态相图更加丰富。我们使用变分量子本征求解器（VQE）在具有周期性边界条件的正方形晶格上计算了一个 16 位点（量子比特）系统的相。我们将训练后的 VQE 线路与精确对角化进行比较，从而提取 VQE 的误差度量。我们重点关注该模型的基态相变，VQE 成功地找到了主导磁性相。随后，优化的 VQE 线路在 Quantinuum H1-1 囚禁离子量子计算机上执行，且未使用任何误差缓解技术。我们的实验表明，通过基态能量、能量导数和自旋关联函数，近乎完美地恢复了该阻挫模型的磁性相。因此，我们表明，在 VQE 方法的局限性内，囚禁离子量子处理器能够实现对强关联系统的可靠模拟。
引用
@article{arxiv.2505.22932,
title = {Variational Quantum Simulations of a Two-Dimensional Frustrated Transverse-Field Ising Model on a Trapped-Ion Quantum Computer},
author = {Ammar Kirmani and Elijah Pelofske and Andreas Bärtschi and Stephan Eidenbenz and Jian-Xin Zhu},
journal= {arXiv preprint arXiv:2505.22932},
year = {2025}
}