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

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