Universal Dynamics with Globally Controlled Analog Quantum Simulators
作者: Hong-Ye Hu, Abigail McClain Gomez, Liyuan Chen, Aaron Trowbridge, Andy J. Goldschmidt, Zachary Manchester, Frederic T. Chong, Arthur Jaffe, Susanne F. Yelin
分类: quant-ph, cond-mat.quant-gas, cond-mat.str-el, cs.LG, eess.SY
发布日期: 2025-08-26 (更新: 2025-09-24)
备注: 10 pages, 5 figures with Methods. HYH, AMG, and LC contributed equally to this work. Updated acknowledgement
💡 一句话要点
提出全球控制的模拟器以实现普适量子动力学
🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)
关键词: 量子计算 模拟器 全球控制 量子动力学 最优控制 拓扑动力学 Rydberg原子 多体相互作用
📋 核心要点
- 现有的模拟量子计算器在实现普适量子动力学方面面临理论和实验的挑战，特别是在全球控制的情况下。
- 论文提出了一种新的控制技术，即直接量子最优控制，能够合成复杂的有效哈密顿量，并克服硬件限制。
- 实验结果显示，利用新框架成功实现了三体相互作用，并在Rydberg原子阵列上展示了拓扑动力学，验证了方法的有效性。
📝 摘要（中文）
全球控制场的模拟量子计算器已成为探索复杂量子现象的强大平台。尽管在控制数千个原子方面取得了突破，但仍然存在一个基本的理论问题：在全球控制下，这些系统能在多大程度上实现普适量子动力学？本文建立了使用全球脉冲控制进行普适量子计算的必要和充分条件，证明了一类模拟器的普适性。我们引入了一种新的控制技术——直接量子最优控制，能够合成复杂的有效哈密顿量，并考虑现实硬件约束。实验中，我们在Rydberg原子阵列上展示了拓扑动力学，验证了我们方法的可行性和表现力。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决在全球控制下，模拟量子计算器能否实现普适量子动力学的理论问题。现有方法在控制复杂量子系统时面临硬件限制和实验挑战。
核心思路：论文提出通过直接量子最优控制技术，合成复杂的有效哈密顿量，以实现普适量子计算。该方法旨在将理论可能性与实验现实相结合，提升量子模拟的能力。
技术框架：整体架构包括全球脉冲控制、直接量子最优控制和实验验证三个主要模块。首先，通过全球脉冲控制实现对系统的调控，然后应用最优控制技术合成哈密顿量，最后进行实验验证以展示效果。
关键创新：最重要的技术创新在于引入了直接量子最优控制，能够在考虑硬件约束的情况下，合成复杂的多体相互作用。这一创新与传统方法的本质区别在于其灵活性和适应性。
关键设计：在控制过程中，设计了平滑且短时的脉冲，以实现高保真度的动力学。此外，考虑了原子位置波动和非阻塞状态下的实验挑战，确保了实验结果的可靠性。
📊 实验亮点
实验中成功实现了三体相互作用，并在Rydberg原子阵列上展示了拓扑动力学，验证了新控制框架的有效性。实验结果显示，利用该方法克服了硬件限制和原子位置波动，达到了高保真度的动力学表现，展现了方法的实用性和表现力。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括量子信息处理、量子计算和量子模拟等。通过实现复杂的多体相互作用，研究为量子计算的实际应用提供了新的可能性，推动了量子技术的发展。未来，随着技术的进步，这一方法可能在更广泛的量子系统中得到应用。
📄 摘要（原文）
Analog quantum simulators with global control fields have emerged as powerful platforms for exploring complex quantum phenomena. Recent breakthroughs, such as the coherent control of thousands of atoms, highlight the growing potential for quantum applications at scale. Despite these advances, a fundamental theoretical question remains unresolved: to what extent can such systems realize universal quantum dynamics under global control? Here we establish a necessary and sufficient condition for universal quantum computation using only global pulse control, proving that a broad class of analog quantum simulators is, in fact, universal. We further extend this framework to fermionic and bosonic systems, including modern platforms such as ultracold atoms in optical superlattices. Crucially, to connect the theoretical possibility with experimental reality, we introduce a new control technique into the experiment - direct quantum optimal control. This method enables the synthesis of complex effective Hamiltonians and allows us to incorporate realistic hardware constraints. To show its practical power, we experimentally engineer three-body interactions outside the blockade regime and demonstrate topological dynamics on a Rydberg atom array. Using the new control framework, we overcome key experimental challenges, including hardware limitations and atom position fluctuations in the non-blockade regime, by identifying smooth, short-duration pulses that achieve high-fidelity dynamics. Experimental measurements reveal dynamical signatures of symmetry-protected-topological edge modes, confirming both the expressivity and feasibility of our approach. Our work opens a new avenue for quantum simulation beyond native hardware Hamiltonians, enabling the engineering of effective multi-body interactions and advancing the frontier of quantum information processing with globally-controlled analog platforms.