关键词：量子退火，自旋玻璃，量子相变



论文题目：The quantum transition of the two-dimensional Ising spin glass
论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07647-y
期刊名称：Nature

量子退火器是一种商业设备，旨在解决复杂计算问题，特别是涉及自旋玻璃（spin glasses）的问题。在量子退火过程中，通过逐渐移除横向磁场，系统可以从无序相转变为自旋玻璃相，从而找到问题的最优解 。然而对于这一相变的全面理解仍然缺失，一个备受争议的关键点是基态与第一激发态之间的能隙的关闭问题。与经典计算机相比，量子退火器实现指数级提速的所有希望都建立在一个假设之上：能隙将随着自旋数量的增加而代数地缩小；然而，重整化群计算却预测存在一个无限随机的固定能隙。

近日，发表在Nature上的这篇由诺奖得主Giorgio Parisi领衔的最新研究解决了这一争论。这项研究通过大规模数值模拟演绎了自旋玻璃的能隙关闭行为，并得出结论：在临界点处能隙的关闭是超代数的，但如果限制可能激发的对称性，能隙的关闭则表现为代数特性。这一发现表明，虽然在一般情况下能隙的关闭速度可能会影响量子退火的效率，但通过适当的实验条件，仍有可能实现量子退火的加速。

为了验证这一理论，研究团队使用D-Wave量子退火器进行了实验。在实验中，研究人员观察到5000个量子比特在通过临界值Γc时表现出一致的量子动力学行为。这一结果不仅证实了他们的数值模拟，还展示了量子退火器在解决自旋玻璃问题上的潜力。

图1. 二维量子自旋玻璃的相图和临界尺度


图2. 通过比较欧几里得时间上的周期性边界条件（PBCs） 和 反周期边界条件（APBCs） ，确保达到零温极限


图3. 研究临界点的偶数激发光谱

图4. 在临界点研究奇数算子的光谱



编译 | 龚铭康



量子信息与量子计算预读班


量子信息是计算机、信息科学与量子物理相结合而产生的新兴交叉学科，将为人类提供后摩尔时代的技术，为二十一世纪信息科学的发展提供新的原理和方法。量子信息是现在的前沿方向，我们感受到以量子力学为基础的革命是颠覆性的，也将影响到未来的复杂性科学研究。集智俱乐部量子信息与量子计算预读班主要聚焦在量子计算领域，对量子线路的经典模拟、量子计算与人工智能的交叉、量子模拟、量子噪声理论与纠错码等方面的论文进行研读与讨论。


详情请参见：

量子信息与量子计算预读班：追踪量子信息革命交叉前沿



推荐阅读
1. 诺奖得主 Giorgio Parisi 访谈：每个复杂系统都有自己独特的复杂性
2. 临界的鸟群与复杂系统——2021年诺奖得主Giorgio Parisi的集体行为研究
3. 百年“伊辛模型”新探索：模拟量子相变新方法
4. 张江：第三代人工智能技术基础——从可微分编程到因果推理 | 集智学园全新课程
5. 龙年大运起，学习正当时！解锁集智全站内容，开启新年学习计划

6. 加入集智，一起复杂！



点击“阅读原文”，了解更多