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可编程量子模拟器让量子计算进入全新领域

文/陈根量子模拟器(Quantum simulators)作为重要的量子技术之一,允许研究在实验室中难以研究且无法用超级计算机建模的量子系统,旨在提供有关特定物理问题的洞察力。由于量子模拟器直接利用了真实粒子的量子特性,因此,其也可以解决经典计算机难以模拟的问题。

文/陈根

可编程量子模拟器让量子计算进入全新领域

量子模拟器(Quantum simulators)作为重要的量子技术之一,允许研究在实验室中难以研究且无法用超级计算机建模的量子系统,旨在提供有关特定物理问题的洞察力。由于量子模拟器直接利用了真实粒子的量子特性,因此,其也可以解决经典计算机难以模拟的问题。

特别是,量子模拟器利用了称为叠加的量子力学特性,其中使量子粒子同时处于两种不同的状态,例如,与外部磁场对齐和反对齐。至关重要的是,模拟器还利用了称为纠缠的第二种量子特性,甚至可以将物理上分离良好的粒子的行为关联起来。

而现在,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称,他们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。这是有史以来具有最多量子比特的机器。256个量子比特产生的量子态数量(2256)比太阳系中的原子数量还要多。

该量子模拟器在研究人员2017年开发的51量子比特系统的基础上进行升级。研究人员使用旧的系统能够捕获超冷铷原子,并使用一种称为光镊的一维单独聚焦激光束阵列按特定顺序排列它们。新的系统则采用二维阵列,将可实现的系统规模从51个量子比特增加到256个量子比特。

使用光镊,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、蜂窝状或三角形晶格,以设计量子比特之间的不同相互作用。其中,研究人员采用了一种叫做空间光调制器(spatial light modulator)的装置,用于形成一个光学波阵面(optical wavefront),来产生数百个单独聚焦的光镊光束。

当前,模拟器已经让研究人员观察到了几种以前从未在实验上实现过的奇异物质量子态,并进行了精确的量子相变研究。不仅如此,研究人员还进行了一项非常精确的量子相变研究,精确到可以成为“磁是如何在量子水平上发挥效用”问题的教科书级示例。

这些实验提供了关于材料特性所依据的量子力学的有力见解,并帮助科学家展示如何设计出具有奇异特性的新材料。对此,研究人员认为,这使量子计算领域进入了一个迄今为止无人涉足的新领域,并进一步进入量子世界的一个全新部分。

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