Quantum Simulator可以在一系列复杂的过程中脱灯

物理教授Markus Greiner（左）和Mikhail Lukin带领一个哈佛大学团队开发了一个51个Qubit Quantum Simulator，其中一个建造的这些系统之一。

编程计算机通常是一个相当艰巨的过程，涉及编码的时间，更不用说调试，测试和记录的艰苦工作，以确保它正常工作。

但是对于来自哈佛大学的超级原子和加利福尼亚理工学院的哈佛大学中心的物理学家团队，事情实际上更加强硬。

在哈佛物理部门实验室工作，由哈佛大学教授Mikhail Lukin和Markus Greiner和Massachusetts Technology教授Vladan velety开发了一种特殊类型的量子计算机，称为量子模拟器，通过捕获超级编程冷却铷原子用激光器并以特定顺序排列，然后允许量子力学进行必要的计算。

该系统可用于在一系列复杂量子过程上脱光，包括量子力学和材料特性之间的连接，并且可以调查新的物质阶段并解决复杂的现实世界优化问题。该系统在杂志自然发表的11月30日文中描述。

研究人员表示，系统的大尺寸和高度高度的量子相干性的组合使其成为重要的成就。具有超过50个相干QUBITS，这是史式集合和测量的最大量子系统之一。

在同一问题的本质上，马里兰大学联合量子研究所的一支团队描述了一个类似尺寸的冷带电荷系统，也用激光控制。在一起，这些互补的进步构成了大型量子机的重要步骤。

“一切都发生在一个小型真空室中，我们有一个非常稀释的原子蒸气，其冷却靠近绝对零，”Lukin说。“当我们通过这一云聚焦大约100个激光束时，它们中的每一个都像陷阱一样动作。光束如此紧密聚焦，它们可以抓住一个原子或零;他们无法抓住两个。那就是乐趣开始的时候。“

在量子模拟器中使用的激光器的关闭到陷阱原子进行操纵。Jon Chase / Harvard员工摄影师

使用显微镜，研究人员可以实时拍摄捕获的原子的图像，然后将它们以任意模式排列用于输入。

“我们以一种非常受控的方式组装它们，”Lukin实验室的博士后奥兰·奥兰·奥兰说，纸博士生和本文共同作者。“从随机模式开始，我们决定哪个陷阱需要去安排到所需集群的地方​​。”

随着研究人员开始将能量进入系统，原子开始彼此相互作用。这些相互作用，Lukin说，给系统了它的量子性质。

“我们使原子互动，这真的是表演计算的，”Omran说。“实质上，随着我们激动激光的激发系统，它是自我组织的。并不是说，我们说这个atom必须是一个或一个零 - 我们可以轻松地通过在原子上投掷光 - 但是我们所做的是允许原子对我们进行计算，然后我们测量结果。“

这些结果，Lukin和同事表示，可以在复杂的量子力学现象上脱光，这一切都是不可能使用传统计算机进行模拟。

“如果你有一个抽象模型，那么一定数量的粒子以某种方式互相交互，问题就是为什么我们不只是坐在电脑上并以这种方式模拟它？”问博士。另一个共同作者亚历山大凯莱灵。“原因是因为这些相互作用是量子的机械。如果您尝试在计算机上模拟这些系统，则限制为非常小的系统尺寸，参数的数量有限。

“如果您使系统更大，非常迅速，您将用完内存和计算电源来模拟经典计算机上的信息，”他补充道。“此处的方式是实际构建与遵循与您正在模拟的系统相同的规则的粒子构建问题。这就是为什么我们称之为量子模拟器。“

虽然可以使用经典计算机来模拟小量子系统，但是由Lukin和同事开发的模拟器使用51个Qubits，使得几乎不可能使用传统的计算技术进行复制。

“重要的是，我们可以通过模拟我们的机器模拟小系统来开始，”他说。“所以我们能够显示那些结果是正确…的，直到我们到达较大的系统，因为我们可以做出简单的比较。”

“当我们开始关闭时，所有原子都处于经典状态。当我们最后读出时，我们获得了一串古典位，零和那些，“Lukin的实验室的另一个博士队博士，也是一个共同作者的Hannes Bernien说。“但是为了从开始到最后，他们必须经过复杂的量子力学状态。如果您有大量的错误率，量子力学状态将崩溃。“

这是伯尼恩的相干量子状态，允许系统作为模拟器工作，并且还使机器成为对复杂量子现象的洞察力洞察并最终执行有用的计算的潜在有价值的工具。该系统已经允许研究人员在不同类型的量子阶段之间的转换中获得独特的洞察，称为量子相转变。Lukin说，它也可能对新的和异国情调的物质来说有助于揭示。

“通常，当你谈论物质的阶段时，你会谈论均衡的事情，”他说。“但是一些非常有趣的物质州可能远离均衡…，并且在量子域中存在许多可能性。这是一个全新的边疆。“

Lukin已经说，研究人员已经看到了这些国家的证据。在与新系统进行的第一个实验中，该团队发现了一种连贯的非平衡状态，令人惊讶的是令人惊讶的长期稳定。

“Quantum Computer将用于在未来几年内实现和研究此类非均衡状态，”他说。“另一种有趣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交互来编码一些非常复杂的问题。在这种系统中，一些提出的量子算法可能潜在地优于经典机器。目前尚不清楚他们是否会，因为我们无法经典地测试它们。但我们正处于进入政权的边缘，在那里我们可以在包含超过100个受控Qubits的完全量子机上测试它们。科学上，这真的很令人兴奋。“

出版物：Hannes Bernien，等人，“在51-Atom Quantum Simulator上探测许多身体动态，”2017年11月30日）DOI：10.1038 / Nature24622