Simulazione quantistica della spettroscopia di spin regolabile tramite campo del magnete quantistico Cs2CoCl4 su un computer quantistico a ioni intrappolati

Abstract degli autori

Gli spettri delle eccitazioni collettive dei magneti quantistici forniscono una verifica diretta dell’impiego dei computer quantistici come strumenti per studiare la materia fortemente correlata. Il rumore hardware limita la profondità dei circuiti disponibili per questi calcoli e lascia aperta la questione di quanta informazione magnetica possa sopravvivere alla compressione dei circuiti. Utilizzando il processore Forte Enterprise di IonQ a 36 qubit, simuliamo gli spettri delle eccitazioni magnetiche e la dinamica degli spin di una catena di Heisenberg XXZ a 36 siti, che descrive il magnete quantistico Cs2CoCl4 in un campo trasverso, tramite circuiti quantistici contenenti appena 420 gate a due qubit. Il flusso di lavoro combina un protocollo di kick locale senza ancilla con la compressione classica di reti tensoriali, codificando sia la preparazione dello stato fondamentale sia l’evoluzione temporale. I fattori di struttura dinamici ricostruiti descrivono l’evoluzione da un ampio continuo a due spinoni verso un ramo dispersivo di carattere magnonico in prossimità del campo critico atteso. Osserviamo un’interessante inversione di segno delle correlazioni di spin tra primi vicini indotta dal campo, che costituisce una traccia complementare di questa evoluzione magnetica. I nostri metodi di mitigazione degli errori portano gli spettri totali ricostruiti a un buon accordo con i calcoli basati sul gruppo di rinormalizzazione della matrice densità, con una correlazione di Pearson e una similarità strutturale superiori a 0,9 e un errore quadratico medio normalizzato inferiore a 0,15. Confrontiamo inoltre i risultati con misure sperimentali di scattering anelastico di neutroni per mettere in relazione le eccitazioni ricostruite con la risposta magnetica del materiale. I nostri risultati dimostrano che la compressione dei circuiti e la mitigazione degli errori consentono ai processori quantistici rumorosi di ricostruire sia le eccitazioni collettive sia le correlazioni magnetiche locali, fornendo un benchmark quantitativo per la spettroscopia quantistica e una base per estendere questi metodi a sistemi magnetici più complessi.