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2025年实习项目
实习项目 2025 珍妮·库尔特 研究远非平衡态电子-声子流体动力学输运 在某些条件下，某些材料中的热量和电荷输运可以用流体动力学方程描述。近期研究将电子的稳态流体动力学方程[1]与声子的粘性热方程统一起来，得到了一组更通用的“粘性热电方程”，描述了电子和声子协同产生流体动力学效应的状态。VTE是在接近平衡态的稳态下推导出来的。本项目将VTE扩展到远非平衡态输运现象，这些现象出现在i)导致响应延迟的高频扰动，以及ii)驱动弹道输运和流体动力学输运耦合的空间不均匀性。本项目将涉及理论开发以及扩展Phoebe程序包[3]的计算工作。[1] Gurzhi. Sov. Phys. Uspekhi 11, 255 (1968) [2] Simoncelli, Marzari, Cepellotti, PRX 10, (2020)。[3] https://github.com/phoebe-team/phoebe Olivier Gauthé 有限温度下的多体局部化 多体局部化 (MBL) 是一种有趣的现象，出现在强无序的相互作用量子系统中 [1]。这样的系统在淬火后不会热化，并且会在很长一段时间内保留初始信息。这种现象可以在具有随机局部场的一维自旋链中观察到。张量网络是一种成熟的方法，用于模拟依赖于高维数据低秩近似的强关联系统。使用
通过可穿越虫洞协议中的算子扩散实现多体量子隐形传态
通过利用一对量子比特之间的共享纠缠，可以将量子态从一个粒子传送到另一个粒子。最近的进展揭示了量子隐形传态的内在多体泛化，与引力有着巧妙而令人惊讶的联系。具体来说，量子信息的隐形传态依赖于多体动力学，这种动力学源于与引力全息对偶的强相互作用系统；从引力的角度来看，这种量子隐形传态可以理解为通过可穿越虫洞传输信息。在这里，我们提出并分析了一种新的多体量子隐形传态机制——被称为峰值隐形传态。有趣的是，峰值隐形传态利用的量子电路类型与可穿越虫洞隐形传态完全相同，但微观起源却完全不同：它依赖于一般热动力学下的局部算子的扩散，而不是引力物理。我们通过分析和数值方法证明了峰值尺寸隐形传态在各种物理系统中的普遍性，包括随机单元电路、Sachdev-Ye-Kitaev 模型（高温）、一维自旋链和带弦校正的体引力理论。我们的研究结果为使用多体量子隐形传态作为强大的实验工具铺平了道路，用于 (i) 表征强关联系统中算子的尺寸分布和 (ii) 区分一般和内在引力扰乱动力学。为此，我们提供了在捕获离子和里德堡原子阵列中实现多体量子隐形传态的详细实验蓝图；分析了退相干和实验缺陷的影响。
可穿越虫洞协议中通过算子扩散实现多体量子隐形传态
通过利用一对量子比特之间的共享纠缠，可以将量子态从一个粒子传送到另一个粒子。最近的进展揭示了量子隐形传态的内在多体泛化，与引力有着巧妙而令人惊讶的联系。具体来说，量子信息的隐形传态依赖于多体动力学，这种动力学源于与引力全息对偶的强相互作用系统；从引力的角度来看，这种量子隐形传态可以理解为通过可穿越虫洞传输信息。在这里，我们提出并分析了一种新的多体量子隐形传态机制——被称为峰值隐形传态。有趣的是，峰值隐形传态利用的量子电路类型与可穿越虫洞隐形传态完全相同，但微观起源却完全不同：它依赖于一般热动力学下局部算子的扩散，而不是引力物理。我们通过分析和数值证明了峰值尺寸隐形传态在各种物理系统中的普遍性，包括随机单元电路、Sachdev-Ye-Kitaev 模型（高温）、一维自旋链和带有弦校正的体引力理论。我们的研究结果为使用多体量子隐形传态作为强大的实验工具铺平了道路，用于 (i) 表征强关联系统中算子的尺寸分布和 (ii) 区分一般和内在引力扰乱动力学。为此，我们提供了在捕获离子和里德堡原子阵列中实现多体量子隐形传态的详细实验蓝图；分析了退相干和实验缺陷的影响。
12 量子计算机上的量子化学
在经典计算机上精确模拟量子系统（包括量子化学中的量子系统）在计算上非常困难。问题在于描述所研究系统所需的希尔伯特空间的维数实际上会随着系统的大小而呈指数增长，如图 1 所示。无论我们模拟动态还是计算某些静态属性（例如能量），这个限制始终存在。理查德·费曼提出了一种替代经典模拟的方法 [1]。他的想法是将上述量子系统的缺点转化为其优点。他建议将所研究量子系统的希尔伯特空间映射到另一个量子系统上（它们都呈指数级大），从而有效地在一个量子系统上模拟另一个量子系统（即在量子计算机上）。虽然开发小型量子计算机已经花了 30 多年的时间，但我们可能很快就会从费曼的建议中受益。 1 事实上，量子化学被认为是小型噪声量子计算机（称为噪声中型量子 (NISQ) 设备）的首批实际应用之一 [4]。此外，人们相信量子计算机最终将使我们能够解决化学、物理学和材料科学中的经典难题 [5–7]。特别是，强关联系统，如催化剂或高温超导体，属于具有高度社会经济重要性的问题，这些问题可以借助量子硬件得到解决。到目前为止，已经提出了几种量子算法来有效地解决化学中的计算难题（即在多项式时间内使用多项式资源，相对于所研究系统的规模和精度）。其中一些也已通过实验得到证实 [6]。然而，由于量子硬件能力有限，这些实验“仅仅”代表了小型化学系统的原理验证模拟，我们可以轻松地用经典方式模拟这些系统。为了使它们具有可扩展性，需要进行量子误差校正，这需要比目前更低的误差率，而且还需要数量级更多的（物理）量子比特。另一方面，这个领域发展非常迅速，我们可能在不久的将来看到分子的误差校正数字量子模拟。如上所述，已经提出了几种可以解决化学中不同类型问题的量子算法[6]。事实上，量子计算化学[5]在过去的15年里取得了巨大的进步。2 在本章中，我们提到了一些算法，但大多数时候都局限于分子汉密尔顿量的电子结构问题，即寻找分子低能谱的问题。这些算法可以作为几何优化、光学特性计算或反应速率测定的子程序[5]。此外，这里阐述的方法可以很容易地应用于其他问题（例如振动分析）。我们专注于数字量子模拟（模拟量子模拟是另一章的主题），这意味着
用于量子化学的量子学习机 (QLM) 的开源变分量子特征求解器扩展
试图在大型系统上达到完全精确度显然面临着所谓的“指数墙”，这限制了最精确方法对更复杂的化学系统的适用性。到目前为止，用经典超级计算机执行的最大计算量也只包括数百亿个行列式 4 ，有 20 个电子和 20 个轨道，随着大规模并行超级计算机架构的进步，希望在不久的将来解决接近一万亿个行列式（24 个电子、24 个轨道）的问题。5 鉴于这些限制，必须使用其他类别的方法来近似更大的多电子系统的基态波函数。它们包括：(i) 密度泛函理论 (DFT)，它依赖于单个斯莱特行列式的使用，并且已被证明非常成功，但无法描述强关联系统 6 – 8 ； (ii) 后 Hartree - Fock 方法，例如截断耦合团簇 (CC) 和组态相互作用 (CI) 方法，即使在单个 Slater 行列式之外仍然可以操作，但由于大尺寸分子在 Slater 行列式方面的计算要求极高，因此不能应用于大尺寸分子。9 – 16 一个很好的例子是“黄金标准”方法，表示为耦合团簇单、双和微扰三重激发 CCSD(T)。事实上，CCSD(T) 能够处理几千个基函数，但代价是巨大的运算次数，而这受到大量数据存储要求的限制。17 无论选择哪种化学基组（STO-3G、6-31G、cc-pVDZ、超越等），这些方法都不足以对大分子得出足够准确的结果。 Feynman 18,19 提出的一种范式转变是使用量子计算机来模拟量子系统。这促使社区使用量子计算机来解决量子化学波函数问题。直观地说，优势来自于量子计算机可以比传统计算机处理“指数级”更多的信息。20 最近的评论提供了有关开发专用于量子化学的量子算法的策略的背景材料。这些方法包括量子相位估计（QPE）、变分量子特征值求解器（VQE）或量子虚时间演化（QITE）等技术。21 – 24 所有方法通常包括三个关键步骤：（i）将费米子汉密尔顿量和波函数转换为量子位表示；（ii）构建具有一和两量子位量子门的电路；（iii）使用电路生成相关波函数并测量给定汉密尔顿量的期望值。重要的是，目前可用的量子计算机仍然处于嘈杂的中型量子（NISQ）时代，并且受到两个主要资源的限制：
GERVASI HERRANZ 的实验室
GERVASI HERRANZ 多功能氧化物和复合结构实验室，巴塞罗那材料科学研究所 ICMAB-CSIC，UAB 校区，E-08193 Bellaterra，加泰罗尼亚，电话：+34 93 580 18 53（分机 357）传真：+34 93 580 57 29；gherranz@icmab.cat 我是一名凝聚态物理学家，在巴塞罗那材料科学研究所 (ICMAB) 从事材料科学、量子传输和纳米光子学研究，该研究所隶属于西班牙国家研究委员会 (CSIC)。我于 2008 年获得现职，最近晋升为 CSIC 科学研究员。加入 CSIC 之前，我曾在 Unité Mixte Physique-CNRS Thalès 担任了四年（2004-2008 年）的博士后，在 Albert Fert 教授（2007 年诺贝尔物理学奖获得者）的指导下从事自旋电子学研究。我的研究。过渡金属氧化物是一类强关联系统，其潜力促使我的研究寻找电子学和光子学领域的基础发现和应用途径。这些材料以其丰富多样的物理特性而著称，这些特性来自于不同能量尺度的微妙平衡。这使得它们特别容易受到外界扰动的影响，从而引起不同电子相（磁性、铁电性或超导性）之间的转变。沿着这些思路，我的科学活动导致了与 LaAlO 3 /SrTiO 3 界面处氧化物量子阱（QW）中的量子传输相关的基础发现。这涉及到对这些 QW 的基本理解（PRL 2007、Nat. Mater. 2008、PRL 2017）以及在非常规晶体取向上对这些 QW 的开创性发现（Sci. Rep. 2012、PRL 2014）。这些意想不到的 QW 导致了与低维超导和 Rashba 自旋轨道耦合（Nat. Comms. 2015、Nat. Mater. 2019）相关的进一步发现以及不寻常的光传输（PRL 2020）的发现。我致力于深入了解许多其他氧化物，并与其他团队合作，例如，对 SrTiO 3 表面 QW 的子带结构（Nature 2011）或某些锰氧化物中的拓扑霍尔效应（Nat. Phys. 2019）的基本知识做出了贡献。与此同时，我的好奇心也一直伴随着对光与物质相互作用的研究，特别是在光子和等离子体晶体中（ACS Nano 2011、Nanoscale 2012、Opt. Express 2018）。我对这个领域的兴趣促使我对锰氧化物中极化子动态传输的理解做出了重要贡献（PRB 2009、PRB 2014），这导致了自旋相关极化子传输的发现（PRL 2016）。与这个领域相关的发现是我提出锰氧化物作为量子计算潜在材料的基础，本项目概述了这一观点。我的活动。在过去的 10 年里，我指导了七篇博士论文，还有一篇目前正在指导中。在同一时期，我指导过两名博士后（一名在 2011-11 年，一名在 2017-2020 年担任 MSCA-IF 研究员）。自 2009 年以来，我发表了 20 多次受邀演讲（包括 2009 年和 2015 年 APS 三月会议、2013 年 MRS 春季会议、2018 年 E-MRS 秋季会议、2010 年和 2019 年 SPIE 光子学会议、2012 年 MMM-Intermag 会议、2019 年和 2020 年 META 会议）和 60 多次口头交流。我是光子学（Royal Soc. Of Chem. 编辑，2013 年，ISBN：978-1-84973-653-4）和 2DEG（《氧化物自旋电子学》，Pan Stanford Publishing，2019 年，ISBN 9814774995）领域的两本书章节的合著者。我曾组织过 MRS 春季和 EMRS 研讨会（MRS 春季 2011 和 2013 以及 E-MRS 春季 2015），并参与组织了 2011 年国际氧化物电子学校（法国卡尔热斯）。我曾在以下学校授课