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团队用256个量子比特开发了量子模拟器,这是有史以来最大的量子比特

2021-7-24 12:17| 发布者: vantsing| 查看: 821| 评论: 0

摘要: 哈佛-麻省理工学院超冷原子中心和其他大学的一组物理学家开发了一种特殊类型的量子计算机,称为可编程量子模拟器,能够以256个量子位或“量子位”。 运行该系统标志着向制造大规模量子机器迈出了重要一步,这些机器 ...

哈佛-麻省理工学院超冷原子中心和其他大学的一组物理学家开发了一种特殊类型的量子计算机,称为可编程量子模拟器,能够以256个量子位或量子位

运行该系统标志着向制造大规模量子机器迈出了重要一步,这些机器可以用来揭示许多复杂的量子过程,并最终帮助实现材料科学、通信技术、金融和许多其他领域的现实突破,克服当今即使是最快的超级计算机也无法克服的研究障碍。量子比特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。

这将该领域带入了一个迄今为止还没有人去过的新领域,乔治·瓦瑟尔·莱韦特物理学教授、哈佛量子倡议联合主任米哈伊尔·卢金说,他也是今天发表在《自然》杂志上的这项研究的资深作者之一。“我们正在进入量子世界的一个全新部分。”

艺术与科学研究生院的物理学学生、该研究的主要作者塞佩尔·埃巴迪(Sepehr Ebadi)认为,正是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最前沿,量子计算机利用物质在极小尺度下的神秘特性,大大提高了处理能力。在适当的情况下,量子位的增加意味着系统可以比标准计算机运行的经典位存储和处理更多的信息。

“仅用256个量子比特就可能产生的量子态数量超过了太阳系中的原子数量,埃巴迪说,并解释了该系统的巨大规模。

该模拟器已经使研究人员能够观察到几种以前从未通过实验实现的奇异的物质量子状态,并进行如此精确的量子相变研究,以至于成为磁性如何在量子水平上工作的教科书范例。

这些实验为材料特性背后的量子物理提供了强有力的见解,并可以帮助科学家展示如何设计具有奇异特性的新材料。

该项目使用了研究人员在2017年开发的平台的显著升级版本,该平台能够达到51个量子比特的大小。那个较旧的系统允许研究人员捕获超冷的铷原子,并使用称为光镊的一维单聚焦激光束阵列按特定顺序排列它们。

这个新系统允许原子被组装成光镊的二维阵列。这将可实现的系统大小从51个量子比特增加到256个量子比特。使用镊子,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,以设计量子位之间的不同相互作用。

这个新平台的主力是一种称为空间光调制器的设备,它用于塑造光学波前,以产生数百个单独聚焦的光镊光束,”埃巴迪说。“这些设备本质上与计算机投影仪内部用于在屏幕上显示图像的设备相同,但我们已经将其调整为量子模拟器的关键组件。”

原子在光镊中的初始加载是随机的,研究人员必须移动原子,将它们排列成目标几何形状。研究人员使用第二套移动的光镊将原子拖到他们想要的位置,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位的位置及其相干量子操作。

该研究的其他资深作者包括与麻省理工学院教授弗拉丹·武莱蒂奇一起参与该项目的哈佛大学教授苏比尔·萨赫德夫和马库斯·格雷纳,以及来自斯坦福大学、加州大学伯克利分校、奥地利因斯布鲁克大学、奥地利科学院和波士顿奎拉计算公司的科学家。

“我们的工作是一场真正激烈、高能见度的全球竞赛的一部分,这场竞赛旨在制造更大更好的量子计算机,”哈佛大学物理学副研究员、该论文的作者之一Tout Wang说。总体努力(超出了我们自己的努力)涉及顶级学术研究机构,以及来自谷歌、IBM、亚马逊和许多其他公司的主要私营部门投资。

研究人员目前正致力于通过改善对量子位的激光控制,并使系统更具可编程性来改进该系统。他们还在积极探索如何将该系统用于新的应用,从探索奇异的量子物质形式到解决具有挑战性的现实问题,这些问题可以在量子位上自然编码。

这项工作使得大量新的科学方向成为可能,埃巴迪说。我们离这些系统的极限还很远。



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