团队开发了具有 256 个量子位的模拟器，这是有史以来同类中最大的。
来自哈佛-麻省理工学院超冷原子中心和其他大学的物理学家团队开发了一种特殊类型的量子计算机，称为可编程量子模拟器，能够以 256 个量子比特或“量子比特”运行。
该系统标志着向构建大型量子机器迈出了重要一步，该机器可用于揭示一系列复杂的量子过程，并最终有助于在材料科学、通信技术、金融和许多其他领域实现现实世界的突破，克服即使是当今最快的超级计算机也无法克服的研究障碍。 量子位是量子计算机运行的基本构建块，也是其强大处理能力的来源。
“这使该领域进入了一个迄今为止无人涉足的新领域，”哈佛量子计划联合主任、该研究的资深作者之一、乔治·瓦斯默·莱弗雷特物理学教授米哈伊尔·卢金说发表于 7 年 2021 月 XNUMX 日，在期刊上 自然. “我们正在进入量子世界的全新部分。”
Dolev Bluvstein（左起）、Mikhail Lukin 和 Sepehr Ebadi 开发了一种特殊类型的量子计算机，称为可编程量子模拟器。 Ebadi 正在调整允许他们创建可编程光学镊子的设备。 学分：罗斯林肯/哈佛员工摄影师
根据艺术与科学研究生院物理系学生、该研究的主要作者 Sepehr Ebadi 的说法，正是系统空前的规模和可编程性的结合使其处于量子计算机竞赛的最前沿，它利用了物质在极小尺度上的神秘特性，极大地提高了处理能力。 在适当的情况下，量子比特的增加意味着系统可以存储和处理比标准计算机运行的经典比特更多的信息。
“仅用 256 个量子比特就可能实现的量子态数量超过了太阳系中的原子数量，”Ebadi 解释了该系统的庞大规模时说。
该模拟器已经让研究人员能够观察到以前从未通过实验实现的几种奇异的物质量子态，并进行如此精确的量子相变研究，以至于它可以作为磁性在量子水平上如何工作的教科书示例。
通过将它们排列成连续的帧并拍摄单个原子的图像，研究人员甚至可以制作有趣的原子视频。 学分：由 Lukin 集团提供
这些实验为材料特性的量子物理学提供了强有力的见解，并有助于向科学家展示如何设计具有奇异特性的新材料。
该项目使用了研究人员在 2017 年开发的平台的显着升级版本，能够达到 51 个量子比特的大小。 旧系统允许研究人员捕获超冷铷原子，并使用称为光学镊子的单独聚焦激光束的一维阵列以特定顺序排列它们。
这个新系统允许将原子组装成二维光镊阵列。 这将可实现的系统大小从 51 增加到 256 量子位。 使用镊子，研究人员可以将原子排列成无缺陷的图案，并创建可编程的形状，如正方形、蜂窝或三角形晶格，以设计量子比特之间的不同相互作用。
Dolev Bluvstein 研究 420 毫米激光，使他们能够控制和纠缠里德堡原子。 学分：哈佛大学
“这个新平台的主力是一种称为空间光调制器的设备，它用于塑造光波前以产生数百个单独聚焦的光镊光束，”Ebadi 说。 “这些设备与计算机投影仪内用于在屏幕上显示图像的设备基本相同，但我们已将它们调整为我们量子模拟器的关键组件。”
原子初始加载到光镊中是随机的，研究人员必须四处移动原子以将它们排列成目标几何形状。 研究人员使用第二组移动光镊将原子拖到他们想要的位置，消除了最初的随机性。 激光使研究人员可以完全控制原子量子位的定位及其相干量子操作。
该研究的其他资深作者包括哈佛大学教授 Subir Sachdev 和 Markus Greiner，他们与麻省理工学院教授 Vladan Vuletić 一起参与了该项目，以及来自斯坦福大学、加州大学伯克利分校、奥地利因斯布鲁克大学、奥地利科学院和波士顿的 QuEra Computing Inc.。
“我们的工作是一场非常激烈、引人注目的全球竞赛的一部分，目的是建造更大更好的量子计算机，”哈佛大学物理学研究助理、该论文的作者之一 Tout Wang 说。 “[超出我们自己的]整体努力有顶级学术研究机构参与，以及来自谷歌、IBM、亚马逊和许多其他公司的主要私营部门投资。”
研究人员目前正致力于通过改进对量子比特的激光控制并使系统更具可编程性来改进系统。 他们还积极探索如何将该系统用于新应用，从探测奇异形式的量子物质到解决可以在量子比特上自然编码的具有挑战性的现实世界问题。
“这项工作促成了大量新的科学方向，”Ebadi 说。 “我们离这些系统所能做的事情还很远。”
参考：Sepehr Ebadi、Tout T. Wang、Harry Levine、Alexander Keesling、Giulia Semeghini、Ahmed Omran、Dolev Bluvstein、Rhine Samajdar、Hannes Pichler、Wen Wei Ho 的“256 原子可编程量子模拟器上的物质量子相”， Soonwon Choi、Subir Sachdev、Markus Greiner、Vladan Vuletić 和 Mikhail D. Lukin，7 年 2021 月 XNUMX 日， 自然.
DOI: 10.1038/s41586-021-03582-4
这项工作得到了超冷原子中心、国家科学基金会、Vannevar Bush 学院奖学金、美国能源部、海军研究办公室、陆军研究办公室 MURI 和 DARPA ONISQ 计划的支持。
