量子模拟器可以在一系列复杂过程中发光 2017-02-16 10:07:32

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物理学教授Markus Greiner(左)和Mikhail Lukin带领一支哈佛 - 麻省理工学院的团队开发了一个51比特的量子模拟器,这是迄今为止最大的此类系统之一

编程计算机通常是一个相当艰巨的过程,涉及数小时的编码,而不是提到调试,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 - 麻省理工学院Ultracold原子中心和加州理工学院的物理学家团队来说,事情实际上更加困难在哈佛大学物理系工作实验室,由哈佛大学教授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,通过激光捕获超冷铷原子进行编程

按特定顺序排列它们,然后允许量子力学进行必要的计算

系统可以用来摆脱光线在一系列复杂的量子过程中,包括量子力学和材料属性之间的联系,它可以研究物质的新阶段并解决复杂的现实世界优化问题该系统在11月30日发表在“自然”杂志上的论文中有所描述

研究人员说,该系统的大尺寸和高度量子相干性使其成为一项重要的成就

凭借50多个相干量子比特,这是有史以来最大的量子系统之一,具有单独的装配和测量功能

在同一期自然界中,一个团队来自马里兰大学联合量子研究所描述了一个类似大小的冷带离子系统,同时也用激光控制在一起,这些互补的进步构成了向大型量子机器迈出的重要一步“一切都发生在我们的小型真空室中有一个非常稀的原子蒸气,它们被冷却到接近绝对零度,“Lukin说”当我们将大约100个激光束聚焦在这个云中,每个激光束就像一个陷阱

光束是如此紧密聚焦,它们可以抓住一个原子或零;他们无法抓住两个当乐趣开始的时候“关闭量子模拟器中使用的激光来捕捉原子进行操纵Jon Chase / Harvard Staff Photographer使用显微镜,研究人员可以实时拍摄被捕获的原子的图像然后以任意模式安排它们进行输入“我们以一种非常可控的方式组装它们”,Lukin实验室的博士后研究员Ahmed Omran说道,他是论文的合着者“以随机模式开始,我们决定哪个陷阱需要去哪里将它们排列成所需的簇“当研究人员开始向系统供给能量时,原子开始相互作用这些相互作用,Lukin说,给予系统量子性质”我们使原子相互作用,这就是实际上正在进行计算的是什么,“Omran说”实质上,当我们用激光激发系统时,它会自我组织并不是说我们说这个原子必须是一个或零 - 我们可以做到这一点只是通过对原子投射光 - 但我们所做的是允许原子为我们执行计算,然后我们测量结果“那些结果,Lukin及其同事说,可以揭示复杂的量子力学现象但是不可能使用传统计算机进行建模“如果你有一个抽象模型,其中一定数量的粒子以某种方式相互作用,那么问题是为什么我们不能坐在电脑前以这种方式模拟它

“另一位共同作者,博士生Alexander Keesling问道

”原因是因为这些相互作用本质上是量子力学的

如果你试图在计算机上模拟这些系统,你只能使用非常小的系统尺寸,并且参数的数量是有限的“如果你制造越来越大的系统,很快就会耗尽内存和计算能力来在经典计算机上模拟它,”他补充道,“解决这个问题的方法是实际构建问题具有与您正在模拟的系统遵循相同规则的粒子的em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Lukin及其同事开发的模拟器使用51个量子比特,使其成为可能几乎不可能使用传统的计算技术进行复制 “重要的是我们可以从使用我们的机器模拟小型系统开始,”他说,“因此我们能够证明这些结果是正确的......直到我们进入更大的系统,因为我们无法进行简单的比较”当我们开始时,所有原子都处于经典状态

当我们最后读出时,我们获得了一串经典位,0和1,“Lukin实验室的另一位博士后Hannes Bernien说道,共同作者“但是为了从开始到结束,他们必须经历复杂的量子力学状态如果你有大量的错误率,量子力学状态就会崩溃”这是相干的量子态,Bernien说,这使得系统可以作为模拟器工作,并且使机器成为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变换的独特见解不同类型的量子相之间的相互作用,称为量子相变,它也可能有助于阐明新的和异国情调的物质形式,Lukin说:“通常,当你谈论物质的各个阶段时,你谈论物质处于平衡状态,”他说“但是一些非常有趣的新物质状态可能远离平衡......而量子域中有很多可能性这是一个全新的前沿”Lukin已经说过,研究人员已经看到了这种状态的证据

在新系统进行的第一次实验中,该团队发现了一个连续的非平衡状态,该状态在相当长的一段时间内保持稳定“量子计算机将在未来几年用于实现和研究这种非平衡物质状态,”他他说:“另一个有趣的方向是解决复杂的优化问题

事实证明,人们可以通过编程原子位置和交互来编码一些非常复杂的问题他们之间的关系在这样的系统中,一些提出的量子算法可能会胜过经典机器目前尚不清楚它们是否会存在,因为我们不能经典地测试它们但我们正处于进入可以测试它们的制度的边缘在包含超过100个受控量子比特的全量子机器上科学地说,这真是令人兴奋的“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:101038 / nature24622来源:哈佛大​​学撰稿人Peter Reuell