科学家们展示了最大的量子模拟器之一 有51个原子

麻省理工学院和哈佛大学的物理学家已经展示了一种操纵量子物质的新方法。在发表在“ 自然 ”杂志上的一篇论文中 ，他们报告使用微调激光系统首先陷阱，然后调整51个单个原子或量子位的相互作用。

该团队的结果代表了最大的量子比特阵列之一，称为量子比特，科学家已经能够单独控制。在同一期“ 自然”杂志上，马里兰大学的一个研究小组报告了一个类似大小的系统，它使用被捕获的离子作为量子比特。

在MIT-Harvard方法中，研究人员生成了一个由51个原子组成的链，并对它们进行编程以进行量子相变，其中链中的每个其他原子都被激发。该图案类似于称为反铁磁体的磁性状态，其中每个其他原子或分子的自旋对齐。

该团队将51原子阵列描述为不是一般的量子计算机，理论上它应该能够解决任何计算问题，而是一个“量子模拟器” - 量子比特系统，可以设计用于模拟特定的问题或解决特定方程，比最快的经典计算机快得多。

例如，团队可以重新配置原子模式，以模拟和研究物质的新状态和量子现象，如纠缠。新的量子模拟器也可以作为解决优化问题的基础，例如旅行商问题，理论推销员必须找出最短路径才能访问给定的城市列表。这个问题的许多变化出现在许多其他研究领域，例如DNA测序，将自动焊接头移动到许多焊接点，或者通过处理节点路由数据包。

“这个问题对于经典计算机来说是指数级的难度，这意味着它可以为一定数量的城市解决这个问题，但如果我想增加更多的城市，它将变得更加困难，非常快，”研究合着者VladanVuletić说，麻省理工学院Lester Wolfe物理学教授。“对于这类问题，你不需要量子计算机。模拟器足以模拟正确的系统。所以我们认为这些优化算法是最直接的任务。“

这项工作是与哈佛大学教授Mikhail Lukin和Markus Greiner合作完成的。麻省理工学院访问科学家Sylvain Schwartz也是合着者。

分开但相互作用

量子计算机主要是理论设备，可以在世界上最强大的经典计算机所需的时间的一小部分内进行极其复杂的计算。他们会通过量子比特这样做 - 数据处理单元，与经典计算机的二进制比特不同，可以同时处于0和1的位置。这种叠加的量子特性允许单个量子比特同时执行两个单独的计算流。向系统添加额外的量子比特可以指数级地加速计算机的计算。

但主要的障碍阻碍了科学家们实现全面运作的量子计算机。其中一个挑战是：如何在不与周围环境相互作用的情况下让量子比特彼此互动。

“我们知道事物在与环境相互作用时很容易变得经典，因此你需要[量子比特]超级孤立，”Vuletić说，他是电子研究实验室和麻省理工学院 - 哈佛大学超级原子中心的成员。“另一方面，他们需要与另一个量子比特强烈互动。”

一些团体正在用离子或带电原子构建量子系统作为量子比特。它们利用电场将离子从环境中捕获或隔离; 一旦被困，离子就会相互强烈地相互作用。但是这些相互作用中的许多是强烈排斥的，就像具有相似取向的磁体一样，并且因此难以控制，特别是在具有许多离子的系统中。

其他研究人员正在试验超导量子比特 - 人工原子被制造成量子方式。但是Vuletić说，与基于实际原子的那些相比，这种制造的量子比特有其缺点。

“根据定义，每个原子都与同一物种的其他原子相同，”Vuletić说。“但是当你手工制造它们时，你会受到制造影响，例如过渡频率，耦合等等。”

设置陷阱

Vuletić和他的同事想出了第三种构建量子系统的方法，使用中性原子 - 不带电荷的原子 - 作为量子比特。与离子不同，中性原子不会相互排斥，并且与制造的超导量子位不同，它们具有固有的相同特性。

在之前的工作中，该小组设计了一种捕获单个原子的方法，通过使用激光束首先将铷原子云冷却到接近绝对零度的温度，从而使它们的运动减慢到接近静止状态。然后他们使用第二个激光器，分成100多个光束，捕获并保持各个原子就位。他们能够对云进行成像以查看哪些激光束捕获了原子，并且可以关闭某些光束以丢弃那些没有原子的陷阱。然后，他们用原子重新排列所有陷阱，以创建有序，无缺陷的量子比特阵列。

通过这种技术，研究人员已经能够建立一个由51个原子组成的量子链，这些原子都处于基态或最低能级。

在他们的论文中，该团队报告更进一步，控制这51个被困原子的相互作用，这是操纵个别量子比特的必要步骤。为此，他们暂时关闭了最初捕获原子的激光频率，使量子系统自然演化。

然后，他们将演化的量子系统暴露在第三个激光束中，试图将原子激发成所谓的里德堡状态 - 一种原子的电子被激发到一个非常高的能量的状态，与原子的其余部分相比电子。最后，他们将原子捕获激光束重新打开，以检测单个原子的最终状态。

“如果所有原子都以基态开始，那么当我们试图将所有原子置于这种激发状态时，就会出现这种状态，即每隔一个原子被激发的状态，”Vuletić说。“所以原子使量子相变成类似反铁磁的东西。”

由于里德堡态中的原子彼此非常强烈地相互作用，所以转变仅发生在每个其他原子中，并且将两个相邻原子激发到里德堡状态所需的能量比激光所能提供的要多得多。

Vuletić说，研究人员可以通过改变被捕获原子的排列以及原子激发激光束的频率或颜色来改变原子之间的相互作用。而且，系统可以很容易地扩展。

“我们认为我们可以将它扩大到几百个，”Vuletić说。“如果你想将这个系统用作量子计算机，它就会变成100个原子的有趣，这取决于你试图模拟的系统。”

目前，研究人员正计划将51原子系统作为量子模拟器进行测试，特别是可以使用绝热量子计算解决的路径规划优化问题 - 这是由Edward Farhi，Cecil和Ida首先提出的一种量子计算形式。麻省理工学院绿色物理学教授。

绝热量子计算提出量子系统的基态描述了感兴趣问题的解决方案。当该系统可以进化以产生问题本身时，系统的最终状态可以确认解决方案。

“你可以从一个简单而已知的最低能量状态开始准备系统，例如所有处于基态的原子，然后慢慢变形以代表你想要解决的问题，例如旅行商问题，”Vuletić说。“这是系统中某些参数的缓慢变化，这正是我们在本实验中所做的。所以我们的系统面向这些绝热的量子计算问题。“

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