在数字量子处理器上对大规模费米-哈伯德模型进行快速、准确、高分辨率的模拟。

费米-哈伯德模型为强关联电子系统提供了范式性描述,在材料科学的多个问题中具有重要价值。然而,由于希尔伯特空间随系统尺寸呈指数级膨胀,精确模拟其非平衡动力学在中等规模以上便极具挑战性。量子计算机曾被设想为突破这一计算瓶颈的有效工具,但始终受限于机器规模以及硬件噪声与误差的影响。本研究报告了在超导量子处理器上对一维费米-哈伯德模型进行的实验性数字量子模拟,其规模已超越精确态向量模拟的极限,并对当前最先进的张量网络方法构成挑战。该工作通过高效映射将问题编码至最多120个量子比特,降低了电路复杂度;并采用误差抑制技术提升精度,使用最多90个特罗特步骤模拟动力学演化。在L=31个格点(62个量子比特)的奈尔初始态中引入空位缺陷后,该团队直接观测到自然单位下t=9的自旋-电荷分离现象,并在多个模型参数下定量提取了速度比v_c/v_s,结果与经典模拟吻合。随后该工作将实验扩展至L=60(120个量子比特),通过30个特罗特步骤实现t=6的长时演化;量子处理器输出结果与采用时间相关变分原理(TDVP)求解器的近似经典模拟在定量上一致。将TDVP键维数增至χ=4096后,两者在方法分叉前的一致性均方根误差(RMSE)约1%的演化时间范围得以扩展。得益于大规模模拟与高效无额外开销的误差抑制技术,在量子/经典模拟一致的极限演化时间(自然跳跃单位t≳5)内,量子处理器的实际运行时间比使用χ=4096的优化TDVP模拟快高达3000倍。这些结果确立了当代数字量子处理器作为研究费米子多体动力学的通用、定量精确且具有竞争力的平台——在领先经典方法可能变得过于昂贵的参数区间尤其如此。
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提交arXiv: 2026-05-05 17:49

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