哈佛领导的物理学家开发256量子位可编程量子模拟器

　　哈佛领导的团队开发了 256 个量子位的模拟器，这是有史以来最大的。
　　大学新闻：来自哈佛-麻省理工学院超冷原子中心 和其他大学的物理学家团队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。
　　该系统标志着朝着构建大规模量子机器迈出的重要一步，可用于阐明大量复杂的量子过程，并最终帮助在材料科学、通信技术、金融和许多其他领域实现现实世界的突破，克服即使是当今最快的超级计算机也无法克服的研究障碍。量子位是运行量子计算机的基本构建块，也是其巨大处理能力的来源。
　　＂这使该领域进入了一个迄今为止从未有人涉足过的新领域，＂哈佛量子计划联合主任、该研究的资深作者之一、 乔治·瓦斯默·莱弗里特物理学教授 米哈伊尔·卢金说。 今天发表在《自然》杂志上。＂我们正在进入量子世界的一个全新部分。＂
　　根据艺术与科学研究生院物理系学生、该研究的主要作者 Sepehr Ebadi 的说法，正是系统前所未有的规模和可编程性的结合使其处于量子计算机竞赛的最前沿，它利用了物质在极小尺度上的神秘特性，以极大地提高处理能力。在适当的情况下，量子位的增加意味着系统可以存储和处理比标准计算机运行的经典位更多的信息。
　　通过将它们按顺序排列并拍摄单个原子的图像，研究人员甚至可以制作有趣的原子视频。由 Lukin 集团提供
　　＂仅用 256 个量子位就可能产生的量子态数量超过了太阳系中的原子数量，＂Ebadi 解释了该系统的庞大规模。
　　模拟器已经让研究人员能够观察到几种以前从未通过实验实现过的奇异物质量子态，并进行了非常精确的量子相变研究，它可以作为磁性如何在量子水平上工作的教科书示例。
　　这些实验提供了对潜在材料特性的量子物理学的深刻见解，可以帮助向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 年开发的平台的显着升级版本，该平台 能够达到 51 个量子位的大小。那个较旧的系统允许研究人员捕获超冷铷原子，并使用称为光镊的单独聚焦激光束的一维阵列将它们按特定顺序排列。
　　这个新系统允许原子组装在二维光镊阵列中。这将可实现的系统大小从 51 量子位增加到 256 量子位。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，如方形、蜂窝或三角形晶格，以设计量子位之间的不同相互作用。
　　Dolev Bluvstein 着眼于 420 毫米激光，使他们能够控制和纠缠里德堡原子。
　　＂这个新平台的主力是一种称为空间光调制器的设备，它用于塑造光波前，以产生数百个单独聚焦的光镊光束，＂Ebadi 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，但我们已将它们调整为我们量子模拟器的关键组件。＂
　　原子初始加载到光镊中是随机的，研究人员必须移动原子以将它们排列成目标几何形状。研究人员使用第二组移动光镊将原子拖到所需位置，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定位及其相干量子操作。
　　该研究的其他资深作者包括哈佛大学教授 Subir Sachdev 和 Markus Greiner，他们与麻省理工学院教授 Vladan Vuletić 以及斯坦福大学、加州大学伯克利分校、奥地利因斯布鲁克大学、奥地利因斯布鲁克大学的科学家一起参与了该项目。科学院和位于波士顿的 QuEra Computing Inc.。
　　＂我们的工作是建造更大更好的量子计算机的一场真正激烈、高能见度的全球竞赛的一部分，＂该论文的作者之一、哈佛大学物理学研究助理 Tout Wang 说。＂[超越我们自己] 的整体努力包括顶级学术研究机构和来自谷歌、IBM、亚马逊和许多其他公司的主要私营部门投资。＂
　　研究人员目前正在努力通过改进对量子位的激光控制并使系统更具可编程性来改进系统。他们还在积极探索如何将该系统用于新应用，从探索奇异形式的量子物质到解决可以在量子位上自然编码的具有挑战性的现实世界问题。
　　＂这项工作促成了大量新的科学方向，＂Ebadi 说。＂我们远未达到这些系统所能完成的极限。＂
　　这项工作得到了超冷原子中心、国家科学基金会、Vannevar Bush 学院奖学金、美国能源部、海军研究办公室、陆军研究办公室 MURI 和 DARPA ONISQ 计划的支持。