一种基于测量淬火的SSH模型量子模拟信息传感方法

技术领域

本发明涉及量子模拟技术领域，特别是涉及一种基于测量淬火的SSH模型量子模拟信息传感方法。

背景技术

量子模拟作为“第二次量子革命”的重要组成部分，受到了人们的广泛关注。当前量子模拟的普遍方法是将被仿真的物理系统的哈密顿量映射到可控量子系统上，通过在可控量子系统上进行仿真，反推出被仿真物理系统的特性。与利用通用量子计算算法模拟不同的是，这种方案做不到像数字仿真一样的普适性，但是这种方法比较直观，且由于这种方法对系统噪声和操作误差的容忍度更高，相对而言更容易实现。

量子模拟的过程包括制备、操纵和读取一个或多个粒子的量子态。虽然制备和操纵可以通过不同的方式实现，但读取是通过测量来完成的。量子模拟的关键一环是在系统上诱发“正确”的动力学。一个普遍的方案是淬火动力学：通过哈密顿量的突然变化引起系统的时间演化。这种方案被广泛应用在解决诸如平衡和高度纠缠态的出现等基本问题，以及诸如创建长距离纠缠等实际应用上。在具体的实验上，所有这些都依赖于使用宏观设备，这可能会导致退相干并增加过程的复杂性。除此之外，为了提取量子比特量子模拟系统的信息通常会采用对所有量子比特测量或者是在设计量子模拟系统结构时，额外设计一个耦合结构，利用透射谱或反射谱来提取信息，但这样的方法会增加实验测量系统的复杂度且引入新的退相干。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于测量淬火的SSH模型量子模拟信息传感方法，不仅可以最小化退相干的引入，还可以简化实验过程。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于测量淬火的SSH模型量子模拟信息传感方法，包括以下步骤：

构建一维SSH模型链，所述一维SSH模型链的基态具有偶宇称的特性；

对所述一维SSH模型链上的任意一个超导量子比特进行自旋x或者自旋y方向测量，将整个一维SSH模型链从稳定的基态塌缩到不稳定的半激发态，得到一条所述超导量子比特的自旋x或者自旋y方向的期望值随时间的变化曲线，通过查看所述超导量子比特时域演化对应的频率成分来标定所述一维SSH模型链的能谱图。

所述一维SSH模型链包括偶数个依次耦合连接的超导量子比特，所述超导量子比特根据其所处的位置被分为两类，其中，处在奇数位置上的超导量子比特为第一类超导量子比特，处在偶数位置上的超导量子比特为第二类超导量子比特；所述超导量子比特设置有读出谐振腔和XY控制线。

一个所述第一类超导量子比特和一个所述第二类超导量子比特组成一个原胞，所述原胞内的耦合强度相同，所述原胞间的耦合强度相同。

所述对所述一维SSH模型链上的任意一个超导量子比特进行自旋x或者自旋y方向测量，将整个一维SSH模型链从稳定的基态塌缩到不稳定的半激发态，得到一条所述超导量子比特的自旋x或者自旋y方向的期望值随时间的变化曲线，具体包括：

将所述一维SSH模型链全部制备到基态上；

对所述一维SSH模型链上的任意一个超导量子比特进行自旋x或者自旋y方向上的测量，令所述超导量子比特等概率被投影到自旋x或者自旋y的两个本征态上，使得所述一维SSH模型链的系统状态不在自旋z本征态上，进行时间演化；

重复对所述一维SSH模型链上的任意一个超导量子比特进行自旋x或者自旋y方向上的测量，得到一条所述超导量子比特的自旋x或者自旋y方向的期望值随时间的变化曲线。

所述通过查看所述超导量子比特时域演化对应的频率成分来标定所述一维SSH模型链的能谱图，具体包括：

根据所述一维SSH模型链的基态具有偶宇称的特性和测量投影效果，对所述超导量子比特链系统进行非平衡演化，并追踪所述超导量子比特自旋x或者自旋y方向期望值的时间演化；

对期望值曲线进行傅里叶变换，得到时域演化对应频谱，通过查看所述超导量子比特时域演化对应的频率成分来标定所述一维SSH模型链的能谱图。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明的整个感知过程依靠测量实现对基态系统的扰动，也是靠测量提取出了能级和边界传输特征，整个过程涉及操作、测量极少，甚至只需要涉及单个超导量子比特，即可实现了对整个系统信息的感知。这种方法不仅可以最小化退相干的引入，还可以简化实验过程，为使用超导量子比特模拟大型拓扑系统开辟了新的可能性，同时显著降低了相应的成本。

附图说明

图1是本发明实施方式中一维SSH模型链的结构示意图；

图2是本发明实施方式中一维SSH模型链量子模拟测量淬火原理图；

图3是SSH模型测量淬火动态演化及第一个量子比特的频域演化示意图；

图4是测量淬火感知SSH模型能级信息图；

图5是测量淬火展示SSH模型边界传输特性图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种基于测量淬火的SSH模型量子模拟信息传感方法，包括以下步骤：构建一维SSH模型链，所述一维SSH模型链的基态具有偶宇称的特性；对所述一维SSH模型链上的任意一个超导量子比特进行自旋x或者自旋y方向测量，将整个一维SSH模型链从稳定的基态塌缩到不稳定的半激发态，得到一条所述超导量子比特的自旋x或者自旋y方向的期望值随时间的变化曲线，通过查看所述超导量子比特时域演化对应的频率成分来标定所述一维SSH模型链的能谱图。

本实施方式通过量子测量的特殊性——量子力学中的测量会导致系统的状态发生显著改变，发生态塌缩现象。当对量子系统进行测量时，系统的波函数会立即“塌缩”到一个特定的状态，这种“塌缩”可以看做对系统的一种扰动；通过量子比特间的相互作用，扰动可以传播到整个量子比特链中。仿真计算显示，利用测量淬火可以有效感知SSH模型的能谱信息和边界传输特性。

本实施方式的SSH模型主体结构由一系列由约瑟夫森结和电容构成的超导量子比特组成，其中，10个超导量子比特构成的一维SSH模型链，如图1所示。超导量子比特根据其所处的位置不同被分为A和B两类，处在奇数位置上的是A类超导量子比特(实心)，在偶数位置上的是B类超导量子比特(空心)。一个A类超导量子比特和一个B类超导量子比特组成了一个原胞(UNIT CELL)，整个一维SSH模型链亦可以看作是由五个原胞排列而成。超导量子比特之间的耦合可以使用电容、电感、约瑟夫森结或者谐振腔等多种耦合方案，图中所展示的是利用电容耦合的方案。根据选取的耦合电容大小不同，可以实现不同的耦合强度，此时两个超导量子比特间的耦合强度可以表示为：

本实施方式是通过测量扰动系统，并追踪这种扰动对系统带来的影响来实现的，其关键点在于，需要使用测量手段将整个SSH模型量子模拟系统从稳定的基态塌缩到不稳定的半激发态。对于由10个超导量子比特构成的SSH模型系统，其测量淬火基本步骤如图2所示。首先，将整个一维SSH模型链全部制备到基态上。此时在忽略格点能(on-siteenergy)的条件下，其能量为0，整个链条状态写作

为了完整实现测量淬火量子模拟信息感知，需要尽可能持续的对第一个超导量子比特在σ

用QuTiP对上述由10个超导量子比特构成的SSH模型结构进行模拟，通过对比系统的能谱图和

仿真参数上，选择比特间的耦合强度J

图3展示了在10个不同的θ下，系统每个超导量子比特<σ

不难发现，本发明提出的一种基于测量淬火的SSH模型量子模拟信息传感方法，其整个感知过程依靠测量实现对基态系统的扰动，也是靠测量提取出了能级和边界传输特征，整个过程涉及操作、测量极少，甚至只需要涉及单个超导量子比特，即可实现了对整个系统信息的感知。这种方法不仅可以最小化退相干的引入，还可以简化实验过程，并且上述展示的能谱模拟可以通过使用具有退相干时长60μs和原胞间耦合强度J