量子模拟器可以应对复杂过程的主机

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物理学教授Markus Greiner(左)和Mikhail Lukin领导了一个哈佛 - 麻省理工学院的团队,开发了一个51-qubit量子模拟器,这是迄今为止最大的这种系统之一。

对计算机进行编程通常是一个相当艰巨的过程,涉及数小时的编码,更不用说为了确保其正常工作而进行的繁琐的调试,测试和记录工作。

但对于来自哈佛 - 麻省理工学院超冷原子中心和加州理工学院的物理学家团队来说,情况实际上要困难得多。

在哈佛大学物理系实验室工作的哈佛大学教授Mikhail Lukin和Markus Greiner以及麻省理工学院教授Vladan Vuletic领导的研究小组开发了一种特殊类型的量子计算机,称为量子模拟器,用激光冷却铷原子并按特定顺序排列,然后让量子力学做必要的计算。

该系统可用于揭示大量复杂量子过程,包括量子力学与材料属性之间的联系,并可研究物质的新阶段并解决复杂的现实世界中的优化问题。该系统在自然杂志上发表的一篇11月30日的论文中有介绍。

研究人员说,该系统的大尺寸和高度量子相干性的结合使其成为一项重要成就。超过50个相干量子比特,这是有史以来最大量子系统之一,具有独立的组装和测量。

在同一期的“自然”杂志上,来自马里兰大学联合量子研究所的一个研究小组描述了一种同样大小的带电离子系统,也用激光进行控制。总而言之,这些互补性进展是迈向大规模量子机器迈出的重要一步。

“一切都发生在一个小的真空室里,我们有一个非常稀薄的原子蒸气,它被冷却到绝对零度,”Lukin说。 “当我们把大约100个激光束聚焦在这个云层时,它们每个都像一个陷阱。这些光束聚焦得非常紧密,它们可以抓住一个原子或零;他们不能抢两个。那就是乐趣开始的时候。“

关闭量子模拟器中使用的激光来捕获原子进行操纵。 Jon Chase /哈佛职员摄影师

使用显微镜,研究人员可以实时拍摄捕获的原子图像,然后将其排列成任意图案以供输入。

“我们以非常可控的方式组装他们,”Lukin实验室的博士后Ahmed Omran说,他是该论文的合着者。 “从一个随机模式开始,我们决定哪个陷阱需要去哪里安排到所需的集群。”

随着研究人员开始将能量输入系统,原子开始相互作用。卢金说,这些相互作用使系统具有量子性质。

“我们让原子相互作用,这就是执行计算的真正原因,”Omran说。 “实质上,当我们用激光激发系统时,它自我组织。我们并不是说这个原子必须是一个或一个零 - 我们可以轻松地做到这一点,只需投射原子 - 但我们所做的是让原子为我们执行计算,然后我们测量结果“。

Lukin及其同事表示,这些结果可以揭示复杂的量子力学现象,这些现象几乎不可能用传统计算机进行建模。

“如果你有一个抽象的模型,其中一定数量的粒子以某种方式相互作用,问题是为什么我们不坐在计算机上进行模拟?”博士问道。学生Alexander Keesling,另一位合着者。 “原因是因为这些相互作用本质上是量子力学的。如果您尝试在计算机上模拟这些系统,则仅限于非常小的系统大小,并且参数数量有限。

“如果你的系统越来越大,你很快就会耗尽内存和计算能力在古典电脑上模拟它,”他补充道。 “解决这个问题的方法是用粒子遵循与您正在模拟的系统相同的规则来构建问题。这就是我们称之为量子模拟器的原因。“

尽管可以使用传统的计算机来模拟小量子系统,但由Lukin和他的同事们开发的模拟器使用51个量子位,使得使用传统计算技术复制几乎是不可能的。

“我们可以从使用我们的机器模拟小型系统开始,这很重要,”他说。 “所以我们能够证明这些结果是正确的......直到我们接触到更大的系统,因为我们无法做出简单的比较。”

“当我们开始时,所有的原子都处于经典状态。而当我们最后读出来的时候,我们会得到一串经典的比特,零和一串,“鲁尼实验室的另一位博士后Hannes Bernien说,也是合着者。 “但为了从开始到结束,他们必须经历复杂的量子力学状态。如果你有很大的错误率,量子力学状态就会崩溃。“

Bernien说,这就是相干量子态,它允许系统作为模拟器工作,并且使得该机器成为深入了解复杂量子现象并最终执行有用计算的潜在有价值工具。该系统已经允许研究人员获得对量子相变不同类型之间转换的独特见解,称为量子相变。它也可能有助于揭示新的和异国情调的形式,Lukin说。

“通常,当你谈论物质的各个阶段时,你会说物质处于平衡状态,”他说。 “但是,一些非常有趣的新物质状态可能会发生在远离平衡的地方......并且量子领域有很多可能性。这是一个全新的前沿。“

卢金说,研究人员已经看到了这些国家的证据。在使用新系统进行的第一批实验之一中,团队发现了一个连贯的非平衡状态,并且在相当长的时间内保持稳定。

他说:“量子计算机将用于在未来几年内实现和研究这种非平衡状态的物质。” “另一个有趣的方向涉及解决复杂的优化问题。事实证明,通过编程原子位置和它们之间的相互作用,可以编码一些非常复杂的问题。在这样的系统中,一些提出的量子算法可能会超越经典机器。目前尚不清楚他们是否愿意,因为我们无法经典地进行测试。但是我们即将进入可以在包含超过100个受控量子位的完全量子机器上进行测试的机制。科学地说,这真的很令人兴奋。“

出版物:Hannes Bernien等人,“在51原子量子模拟器上探测多体动力学”,Nature 551,579-584(2017年11月30日)doi:10.1038 / nature24622

来源:哈佛职员作家Peter Reuell