Many-body dynamical phases in an Ising-like quantum spin model with long-range interactions are observed by measuring correlations in single shots, using a quantum simulator composed of 53 qubits. Richard Feynman proposed the quantum computer in 1982 as a technique for simulating states of matter and the various complex interactions that occur within these systems. In the past few years, quantum simulators have become a reality, with several different qubit approaches. For example, small numbers of individually controlled qubits have already been used to simulate molecules and quantum magnets. However, it has remained a challenge to perform tasks that are beyond the capabilities of classical computers. In this issue, two papers demonstrate quantum simulators with an unprecedentedly high number of controlled qubits. Mikhail Lukin and colleagues used 51 cold Rydberg atoms and Christopher Monroe and colleagues used 53 trapped ions to study phase transitions in Ising-type quantum magnets. Both groups observed novel many-body interactions that are computationally intractable with classical computers. A quantum simulator is a type of quantum computer that controls the interactions between quantum bits (or qubits) in a way that can be mapped to certain quantum many-body problems1,2. As it becomes possible to exert more control over larger numbers of qubits, such simulators will be able to tackle a wider range of problems, such as materials design and molecular modelling, with the ultimate limit being a universal quantum computer that can solve general classes of hard problems3. Here we use a quantum simulator composed of up to 53 qubits to study non-equilibrium dynamics in the transverse-field Ising model with long-range interactions. We observe a dynamical phase transition after a sudden change of the Hamiltonian, in a regime in which conventional statistical mechanics does not apply4. The qubits are represented by the spins of trapped ions, which can be prepared in various initial pure states. We apply a global long-range Ising interaction with controllable strength and range, and measure each individual qubit with an efficiency of nearly 99 per cent. Such high efficiency means that arbitrary many-body correlations between qubits can be measured in a single shot, enabling the dynamical phase transition to be probed directly and revealing computationally intractable features that rely on the long-range interactions and high connectivity between qubits.

Trapped ions are used to determine the speed of propagation of correlations and the causal region to which they are confined in quantum many-body systems with medium- and long-range spin interactions. The speed at which information propagates in quantum many-body systems determines the overall behaviour of these systems. If the interactions between the system components are short-ranged, the dynamics are well understood and relatively straightforward to compute. Less clear is what happens when long-range interactions are present. Now two groups have used the exquisite control afforded by trapped atomic ions to explore experimentally how the interaction range influences the time evolution of quantum many-body systems. The maximum speed with which information can propagate in a quantum many-body system directly affects how quickly disparate parts of the system can become correlated1,2,3,4 and how difficult the system will be to describe numerically5. For systems with only short-range interactions, Lieb and Robinson derived a constant-velocity bound that limits correlations to within a linear effective 'light cone'6. However, little is known about the propagation speed in systems with long-range interactions, because analytic solutions rarely exist and because the best long-range bound7 is too loose to accurately describe the relevant dynamical timescales for any known spin model. Here we apply a variable-range Ising spin chain Hamiltonian and a variable-range XY spin chain Hamiltonian to a far-from-equilibrium quantum many-body system and observe its time evolution. For several different interaction ranges, we determine the spatial and time-dependent correlations, extract the shape of the light cone and measure the velocity with which correlations propagate through the system. This work opens the possibility for studying a wide range of many-body dynamics in quantum systems that are otherwise intractable.

Laser-cooled and trapped atomic ions form an ideal standard for the simulation of interacting quantum spin models. Effective spins are represented by appropriate internal energy levels within each ion, and the spins can be measured with near-perfect efficiency using state-dependent fluorescence techniques. By applying optical fields that exert optical dipole forces on the ions, their Coulomb interaction can be modulated to produce long-range and tunable spin-spin interactions that can be reconfigured by shaping the spectrum and pattern of the laser fields, in a prototypical example of a quantum simulator. Here we review the theoretical mapping of atomic ions to interacting spin systems, the preparation of complex equilibrium states, the study of dynamical processes in these many-body interacting quantum systems, and the use of this platform for optimization and other tasks. The use of such quantum simulators for studying spin models may inform our understanding of exotic quantum materials and shed light on the behavior of interacting quantum systems that cannot be modeled with conventional computers.

In nonrelativistic quantum theories with short-range Hamiltonians, a velocity v can be chosen such that the influence of any local perturbation is approximately confined to within a distance r until a time t∼r/v, thereby defining a linear light cone and giving rise to an emergent notion of locality. In systems with power-law (1/r^{α}) interactions, when α exceeds the dimension D, an analogous bound confines influences to within a distance r only until a time t∼(α/v)logr, suggesting that the velocity, as calculated from the slope of the light cone, may grow exponentially in time. We rule out this possibility; light cones of power-law interacting systems are bounded by a polynomial for α>2D and become linear as α→∞. Our results impose strong new constraints on the growth of correlations and the production of entangled states in a variety of rapidly emerging, long-range interacting atomic, molecular, and optical systems.

作为热带海气耦合年际变率的最主要模态,厄尔尼诺和南方涛动(ENSO)对西北太平洋区域的热带气旋(TC)活动有显著影响。2018年和2021年均为拉尼娜(La Niña)衰减年,但这两年夏季(6-8月)西北太平洋TC活动却呈现出显著差异。2018年夏季TC活动异常活跃,共生成18个TC,较常年同期(11个)明显偏多,TC生成源地主要位于西北太平洋中东部。而2021年夏季仅生成9个TC,且生成源地主要集中在西北太平洋西部。本文通过对比分析夏季TC生成源地的大尺度环境场、热带海洋热力条件和低频振荡活动等特征,揭示了这两年处于相似的La Niña衰减年背景下,西北太平洋TC活动却显著不同的可能原因。热带印度洋海盆一致模(IOBM)2017/2018年冬季转为冷海温距平,并持续至2018年夏季;同时太平洋经向模(PMM)也一直维持正位相,导致夏季西太平洋副热带高压偏东偏北,季风槽向东延伸,有利于西北太平洋TC生成和发展;此外2018年夏季热带大气低频振荡(MJO)位于5-6位相的日数偏多近150%,也为TC的形成提供了有利的动力条件。而2021年IOBM 3月迅速转正且维持至夏季,PMM则从1月转为负位相并维持到夏季;同时MJO在第2-3位相停滞长达47天,此时对流中心位于海洋性大陆西部,不利于西北太平洋TC的生成。可见,尽管处于相似的La Niña衰减年背景下,2018年和2021年春夏季IOBM和PMM演变以及MJO活动的不同是导致2018年和2021年夏季西北太平洋TC活动显著不同的主要原因,其中IOBM和MJO活动异常的贡献较PMM更为重要。