据外媒报道,来自哈佛大学-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,被称为可编程量子模拟器,能够以 256 个量子比特或“量子位”运行。

  该系统标志着向建造大规模量子机器迈出了一大步,可用于阐明一系列复杂的量子过程,并最终帮助在材料科学、通信技术、金融和许多其他领域带来现实世界的突破,克服当今甚至是最快的超级计算机都无法做到的研究障碍。量子位(Qubit)是量子计算机运行的基本构件,也是其巨大处理能力的来源。

  2021 年 7 月 7 日发表在《自然》杂志上的这项研究的资深作者之一、哈佛大学物理学教授、哈佛大学量子计划联合主任 Mikhail Lukin 说:“这使该领域进入了一个迄今无人涉足的新领域。我们正在进入量子世界的一个全新的部分。”

  据文理学院研究生院的物理学学生、该研究的主要作者 Sepehr Ebadi 称,正是该系统前所未有的尺寸和可编程性的结合,使其处于量子计算机竞赛的前沿,量子计算机利用物质在极小尺度上的神秘特性,大大提升了处理能力。在适当的情况下,量子比特的增加意味着该系统可以存储和处理比标准计算机运行所依赖的经典比特更多的信息。

  Ebadi 说:“仅用 256 个量子比特就能实现的量子状态数量超过了太阳系中的原子数量,”他解释了该系统的巨大规模。

  目前,该模拟器已经使研究人员能够观察到以前从未在实验中实现的几种奇异的物质量子态,并进行了一项量子相变研究,其精确程度可作为磁学在量子水平上如何工作的教科书实例。

  这些实验提供了关于材料特性背后的量子物理学的强有力的见解,并可以帮助科学家展示如何设计具有奇异特性的新材料。

  该项目使用的是研究人员在 2017 年开发的一个平台的显著升级版,该平台能够达到 51 个量子比特的规模。那个旧系统允许研究人员捕捉超冷的铷原子,并使用称为光学镊子的单独聚焦激光束的一维阵列将它们按特定顺序排列。

  这个新系统允许原子在光学镊子的二维阵列中被组装起来。这将可实现的系统规模从 51 个增加到 256 个比特。通过使用光学镊子,研究人员可以将原子安排在无缺陷的模式中,并创造出可编程的形状,如方形、蜂窝状或三角形格子,以设计量子比特之间的不同相互作用。

  “这个新平台的主力是一个叫做空间光调制器的设备,它被用来塑造一个光学波前,以产生数百个单独聚焦的光学镊子光束,”Ebadi 说。“这些设备本质上与电脑投影仪内用于在屏幕上显示图像的设备相同,但我们对它们进行了调整,使之成为我们的量子模拟器的一个关键组成部分。”

  原子最初装入光学镊子的过程是随机的,研究人员必须移动原子,将它们排列到目标几何形状。研究人员使用第二组移动的光学镊子将原子拖到它们所需的位置,消除了最初的随机性。激光使研究人员能够完全控制原子量子比特的定位及其相干的量子操纵。

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