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使用费米子到量子比特编码的线性光学量子电路模拟
量子模拟模仿一个量子系统与另一个人工组织的量子系统（即量子模拟器）的演化[1]。具有量子比特的数字量子模拟器可以对由各种粒子（如自旋、费米子和玻色子）组成的任意量子系统进行精确或近似编码，具体取决于粒子的性质。量子比特可以通过多种物理系统实现，如捕获离子[2,3]、核磁共振（NMR）[4,5]、超导电路[6,7]、量子点[8]和光子[9]。因此，无论模拟器的物理性质如何，我们都可以使用适当的量子比特编码协议用数字量子模拟器模拟任何量子系统。在各种多粒子量子系统中，玻色子系统被认为从数字量子模拟中受益匪浅。 Knill、Laflamme 和 Milburn (KLM) 证明后选择线性光学能够进行通用量子计算 [10]。此外，Aaronson 和 Arkhipov [11] 提出的玻色子采样也是证明量子器件计算优越性的有力候选者。玻色子采样问题被认为属于经典的难采样问题。受非相互作用玻色子系统计算能力的启发，提出了几种玻色子到量子比特编码 (B2QE) 协议，以使用数字量子计算机模拟玻色子问题 [12-18]。大多数研究直接使用 Fock 态的一元或二元量子比特表示作为量子比特编码协议，将玻色子产生和湮灭算子离散化。参考文献 [15] 提出了一种用于线性和非线性光学元件的数字量子模拟方法。参考文献[ 17 ] 基于文献 [ 19 ] 开发的玻色子-量子比特映射，使用 IBM Quantum 模拟了束分裂和压缩算子。所需资源（例如量子比特和门的数量）因编码协议而异。文献 [ 18 ] 比较了不同编码协议之间的资源效率。在本文中，我们结合 Shchesnovich [ 20 ] 分析的玻色子-费米子对应关系和费米子到量子比特编码 (F2QE) 协议 [ 21 , 22 ]，提出了一种替代的多玻色子数字模拟方法。具体而言，我们的协议将玻色子态转换为具有内部自由度的费米子态，然后通过 F2QE 协议（Jordan-Wigner (JW) 变换）将其转换为量子比特态。在我们的模拟模型中，具有 M 个 N 量子比特束的量子电路可以模拟 M 模式下 N 个玻色子的数量守恒散射过程。我们的协议总结如图 1 所示。我们的协议最显著的优势是，它可以使用量子比特数的直接扩展来有效地模拟非理想的部分可区分玻色子，即具有内部自由度的玻色子。作为概念证明，我们使用我们的协议生成了 Hong-Ou-Mandel (HOM) 倾角 [ 23 ]。HOM 效应在光量子系统中非常重要，它为线性光量子计算系统中的逻辑门提供基本资源。参考文献 [ 24 ] 讨论了 HOM 效应与基于量子比特的 SWAP 测试之间的正式联系。为了模拟 HOM 倾角，我们需要一种方法来为光子添加内部自由度。在我们的例子中，通过将量子比特数增加两倍就可以轻松实现，这表明我们的协议适合模拟部分可区分的玻色子。我们使用 IBM Quantum 和 IonQ 云服务验证了电路的有效性。本文结构如下：第 2 部分介绍我们的数字玻色子模拟协议。在回顾了玻色子-费米子变换协议之后，我们展示了如何将此变换与 JW 变换相结合进行数字玻色子模拟。在第 3 部分中，我们将模型应用于 HOM 倾角实验。我们用一个八量子比特电路模拟双光子部分区分性。最后，第 4 部分总结我们目前的工作并讨论其未来可能的扩展。
马约拉纳表面代码的新变化：用于容错量子计算的玻色子和费米子缺陷
马约拉纳零模式 (MZM) 是拓扑保护量子计算硬件的有希望的候选者，然而它们的大规模使用可能需要量子纠错。马约拉纳表面码 (MSC) 已被提议实现这一目标。然而，许多 MSC 属性仍未得到探索。我们提出了一个统一的 MSC“扭曲缺陷”框架——编码量子信息的任意子类对象。我们表明，MSC 中的扭曲缺陷可以编码两倍于基于量子位的代码或其他 MSC 编码方案的拓扑保护信息量。这是因为扭曲同时编码了逻辑量子位和“逻辑 MZM”，后者增强了微观 MZM 可以提供的保护。我们解释了如何使用逻辑量子位和逻辑 MZM 执行通用计算，同时可能使用比其他 MSC 方案少得多的资源。所有 Clifford 门都可以通过编织扭曲缺陷在逻辑量子位上实现。我们介绍了基于格子手术的逻辑 MZM 和逻辑量子位计算技术，实现了 Clifford 门的效果，且时间开销为零。我们还表明，逻辑 MZM 可能会在足够低的准粒子中毒率下改善空间开销。最后，我们介绍了一种新颖的 MSC 横向门模拟，通过编织微观 MZM 实现小代码中的编码 Clifford 门。因此，MSC 扭曲缺陷为容错量子计算开辟了新途径。
量子信息理论测量以区分费米子化玻色子和非相互作用费米子
通过精确数值求解时间相关多玻色子薛定谔方程，研究了 Tonks-Girardeau 极限下强相互作用一维玻色子的动态费米子化。我们确定动态费米子化时单体动量分布接近理想费米气体分布。二体层面的测量进一步补充了这一分析。二体层面的动态费米子化应推断为二体关联对角线上存在明显的关联洞。对强相互作用玻色子的二体动量分布的研究清楚地表明，对角线上的模式在费米子化时不会消失。二体局域和非局域关联也将费米子化玻色子与非相互作用费米子清楚地区分开来。进一步利用信息论的适当度量，即众所周知的 Kullback-Leibler 相对熵和 Jensen-Shannon 散度熵，讨论了两个系统之间的可区分性程度。我们还观察到，对于强关联玻色子，高体密度具有非常丰富的结构，而非相互作用的费米子不具有二体以外的任何高阶关联。
用量子材料中的电子相关拓扑平面带固定几何施加的平坦波段将其固定到费米水平
将几何效率的平坦带固定在费米水平上，量子材料中的电子相关拓扑平面带代表了凝结物理物理学中的一个引人入胜的受试者，通常与许多外来现象相关，包括超导性，磁性，磁性和电荷密度波浪级。平面带通常在量子材料中发现，其中库仑相互作用与电子动能相当或大。在这种状态下，电子被显着减慢，以使它们彼此相互作用，因此形成了可能改变宏观材料特性的新兴电子订单。与降低电子速度的电子库仑相互作用产生的狭窄带相反，拓扑平面带源于由于电子波函数的量子破坏性干扰引起的动能的淬灭。在真实材料中寻找平坦带，并揭示相关的有趣现象以及基础的显微镜机制，被共同称为平坦带物理。
费米实验室物理咨询委员会报告 2024 年 1 月
PAC 以新的成员组成召开会议，13 名成员中，有 5 名来自之前的组成。会议原本打算面对面进行，但最终以混合模式进行。这并没有妨碍会议进程。会议开始时，PAC 听取了实验室主任 Lia Merminga 和 LBNC 主席 Niki Saoulidou 的报告。PAC 很高兴听到实验室在科学计划各方面取得的显著进展，并祝贺理事会取得的成就。PAC 还祝贺实验室向 P5 提交了一份令人信服的国家计划案例；P5 的最终报告与这些陈述非常吻合。PAC 期待在未来的会议上看到费米实验室的实施计划。会议的其余部分专门用于报告加速器 (AD) 和粒子物理 (PPD) 理事会以及下文详述的选定项目和实验的活动状态。
能量分辨自旋相关测量：弱相互作用的费米气体中解码横向自旋动力学
集体自旋动力学在自旋晶格模型中起着核心作用，例如量子磁性的海森堡模型[1]，Anderson pseudospin模型超导性[2]和Richardson-Gaudin模型的配对模型[3]。这些模型已在离散系统中进行了模拟，包括离子陷阱[4-6]，量子气显微镜[7]和腔QQ的实验[8]，这些[8]可实现单位分辨率。相比之下，弱相互作用的费米气体（WIFG）为在准连续系统中实现旋转晶体模型提供了强大的多体平台。在几乎无碰撞状态中，单个原子的能量状态在实验时间尺度上保存，在能量空间中创建了长期寿命的合成拉力[9]，这在强烈相互作用的方向上是无法实现的。这个能量晶格模拟了集体的海森伯格汉密尔顿人，具有可调的远距离相互作用[10-17]和可调节的各向异性[18]。在这项工作中，我们展示了能量分辨自旋相关性的测量，这些相关性提供了能量空间自旋晶格中横向自旋动力学的物理直观图片。此方法可以使微观介绍量子相变的特征和宏观特性（例如磁化）的特性的特征。在具有集体海森堡汉密尔顿的多体旋转晶格中，随着相互作用强度的提高，依赖站点依赖性的连接和站点对站点相互作用之间的相互作用导致向自旋状态的过渡，从而导致大型总横向自旋。使用总横向磁化作为顺序参数，已经在40 K的WiFG中观察到了此转变。通过我们的能量分辨测量值提供了对自旋锁定过渡的更多信息，这说明了局部低能和高能亚组中横向自旋成分之间强大关系的出现以及这些
利用库珀对分离器进行费米子量子计算
多年来，量子比特已成为量子计算事实上的基础，其宿主平台多种多样：超导电路 [ 2 ， 3 ] ::::: [2,3]、捕获离子 [ 4 ， 5 ] 和量子点 [ 6 ] 等等。最近的研究使用基于量子比特的量子计算机来模拟费米子系统 [ 7 – 9 ]。然而，从量子比特到局部费米子模（LFM）的映射效率低下，因为它会给计算带来额外的开销 [ 10 ， 11 ]。例如，从 n 个量子比特到费米子的映射需要通过 Jordan-Wigner 变换进行 O ( n ) 次额外运算 [ 12 ]，通过 Bravyi-Kitaev 变换进行 O (log n ) 次额外运算 [ 1 ]。避免量子比特到 LFM 映射中的开销的另一种方法是使用已经使用局部费米子模式运行的量子计算机 [ 1 ]。此外，局部费米子模式的优势不仅限于费米子系统的模拟 :::::::: 费米子 :::::::: 系统
通过DNA有机半导体复合物1费米子三角晶格莫特绝缘子的量子气显微镜
我们在几何沮丧的三角形晶格中研究了费米子莫特绝缘子，这是一种用于研究旋转液体和自发时间转换对称性破坏的范式模型系统。我们的研究证明了三角形莫特绝缘子的制备，并揭示了所有最近邻居之间的抗磁性自旋旋转相关性。我们采用真实空间的三角形几何量子气体显微镜来测量密度和自旋可观测物。将实验结果与基于数值链接群集扩展和量子蒙特卡洛技术的计算进行了比较，我们证明了沮丧的系统中的热度法。我们的实验平台引入了一种替代方法，用于沮丧的晶格，为未来研究外来量子磁性的研究铺平了道路，这可能导致哈伯德系统中量子自旋液体的直接检测。
费米实验室的精密跟踪和量子探测器的开发
– 光罩分为不同设计的芯片：仅带传感器的 ½ 晶圆和带传感器和读出电路的 ½ 晶圆 – 对 MAPS、LGAD 和 SPAD 探测器进行详细表征，并量化其 HEP 性能
深入了解费米实验室的经济影响：
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