哈佛大學的研究人員開發了一種稱為量子模擬器的專用量子計算機，它可以用來從量子力學和材料特性之間的聯繫，到研究物質的新階段，解決複雜的實際世界優化問題。
通常情況下，對電腦進行編程是一個相當艱鉅的過程，涉及幾個小時的編碼工作，更不用說繁瑣的調試，測試和文檔工作，以確保其正常工作。
量子計算機
但是對於哈佛 - 麻省理工學院超冷原子研究中心和加州理工學院的物理學家來說，事實上要困難得多。
在哈佛大學物理系實驗室工作的哈佛大學教授米哈伊爾·盧金（Mikhail Lukin）和馬庫斯·格雷納（Markus Greiner）以及麻省理工學院教授弗拉丹·弗勒（Vladung Vuletic）領導的一個研究小組開發了一種特殊類型的量子計算機 - 量子模擬器，通過捕獲超冷銣原子與激光並按特定順序排列，然後讓量子力學做必要的計算。
該系統可以用來從量子力學和材料屬性之間的聯繫，到研究物質的新階段以及解決複雜的現實世界中的優化問題等許多複雜量子過程中揭開新的曙光。該系統在11月30日發表在“ 自然”雜誌上。
研究人員說，該系統的大尺寸和高度量子相干性的結合使其成為一項特別重要的成就。超過50個相干量子比特，這是有史以來最大的量子體系之一，具有獨立的組裝和測量。
在同一期“ 自然”雜誌上，馬里蘭大學聯合量子研究所的一個研究小組描述了一個同樣大小的帶電離子系統，也用激光進行控制。總而言之，這些互補的進展是實現大型量子機器邁出的重要一步。
Lukin說：“所有事情都發生在一個小型的真空室裡，在這裡我們有一個非常稀薄的原子蒸氣，這個蒸氣被冷卻到絕對零度。“當我們把大約一百束激光束聚焦在這個雲層中時，它們每個都像一個陷阱，這些光束聚焦得很緊，它們可以抓住一個原子或零點，不能抓住兩個，這就是樂趣開始的時候“。
使用顯微鏡，研究人員可以對捕獲的原子進行實時成像，然後將其排列成任意圖案來組成系統的輸入。
在Lukin實驗室工作的博士後Ahmed Omran說：“我們以非常可控的方式組裝他們。”他是該論文的合著者之一。“從一個隨機模式開始，我們決定哪個陷阱需要去哪裡安排到所需的群集。”
隨著研究人員開始向系統中提供能量，原子開始相互作用，Lukin說這就是這些相互作用，使系統具有量子性質。
Omran說：“我們讓原子相互作用，這就是計算的真正原因。“實質上，當我們用激光激發系統時，它是自組織的，我們並不是說這個原子必須是一個或一個零 - 只要把光投射到原子上，我們就可以輕鬆地做到這一點 - 但我們所做的是讓原子為我們執行計算，然後測量結果。“
Lukin及其同事表示，這些結果可以揭示覆雜的量子力學現象，這些現象幾乎不可能用傳統的計算機模擬。
“如果你有一個抽象的模型，其中有一定數量的粒子以某種方式相互作用，那麼問題是我們為什麼不坐在計算機上模擬它呢？問博士。該研究的另一位合著者，學生Alexander Keesling。“原因是因為這些相互作用本質上是量子力學的，如果你試圖在計算機上模擬這些系統，那麼你只能將系統規模限制在很小的範圍內，而且參數數量是有限的。
他繼續說：“如果你把系統做得越來越大，你很快就會耗盡內存和計算能力，在傳統的計算機上進行模擬。“解決方法是實際上用粒子遵循與您正在模擬的系統相同的規則來構建問題 - 這就是為什麼我們稱之為量子模擬器。
儘管可以使用經典的計算機來模擬小量子系統，但由Lukin和他的同事開發的模擬器使用51個量子位，使得使用傳統計算技術複製幾乎是不可能的。
他說：“重要的是，我們可以通過使用我們的機器模擬小型系統開始。“所以我們能夠證明這些結果是正確的...直到我們到達更大的系統，因為沒有簡單的比較，我們可以做。
“當我們開始的時候，所有的原子都處於經典狀態，當我們讀到最後的時候，我們會得到一串經典的零點和零點，”Lukin實驗室的博士後Hannes Bernien補充道，和研究的合著者。“但是為了從頭到尾得到，他們必須經歷複雜的量子力學狀態，如果你有很大的錯誤率，量子力學狀態就會崩潰。
伯尼恩說，這就是相干量子態，它使系統可以作為一個模擬器工作，同時也使得該機器成為獲得複雜量子現象的新洞察力並最終進行有用的計算的有價值的工具。該系統已經允許研究人員獲得獨特的見解不同類型的量子相位之間的轉換，稱為量子相變。這也可能有助於揭示新的異國情調，Lukin說。
他說：“通常，當你談論物質的各個階段時，你會說物質處於平衡狀態。“但是一些非常有趣的新物質狀態可能會發生在遠離平衡的地方......而且量子領域有很多可能性，這是一個全新的前沿。
盧金說，研究人員已經看到了這些狀態的證據 - 在新系統的第一個實驗之一，團隊發現了一個新的連貫的非平衡狀態，在一個驚人的長時間保持穩定。
他說：“量子計算機將用於實現和研究未來幾年物質的非平衡狀態。“另一個令人感興趣的方向是涉及解決複雜的優化問題，事實證明可以通過編程原子位置和它們之間的相互作用來編碼一些非常複雜的問題，在這樣的系統中，一些提出的量子算法可能會勝過傳統的機器，尚不清楚它們是否會或者不是，因為我們無法對它們進行經典測試，但是我們即將進入可以在含有超過百個受控量子比特的全量子機器上進行測試的機制，從科學的角度來看，這真的很令人興奮。
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