頭條楓林網
程式設計一臺計算機通常是一個相當艱難的過程，涉及幾個小時的編碼，更不用說繁瑣的偵錯、測試和記錄工作，以確保其正常工作。對於哈佛 – 麻省理工學院超冷原子研究中心和加州理工學院的物理學家們來說，實際情況上要困難得多。
在哈佛大學物理系實驗室工作的哈佛大學教授米哈伊爾·盧金和馬庫斯·格雷納以及麻省理工學院教授弗拉丹·弗魯伊聯合領導的研究小組開發了一種特殊類型的量子計算機 – 量子模擬器，用鐳射冷卻銣原子，並按特定順序排列，然後讓量子力學做必要的計算。
該系統可以用來揭示一系列複雜的量子過程，包括量子力學和材料屬性之間的聯絡，它可以研究物質的新階段，解決複雜的現實世界優化問題。該系統在“自然”雜誌上被發表。
研究人員說，該系統的大尺寸和高度量子相乾性的結合使其成為重要的成就。超過50個相乾量子位元，這是有史以來最大的量子體系之一，具有獨立的組裝和測量。
ADVERTISEMENT
在同一個自然問題上，馬裡蘭大學聯合量子研究所的一個研究小組，描述了一個同樣大小的帶電離子系統，也用鐳射進行控制。總之，這些互補性的進步構成了向大型量子機器邁進的重要一步。
盧金說：“所有事情都發生在一個小型的真空室裡，在這裡我們有一個非常稀薄的原子蒸氣，這個蒸氣被冷卻到絕對零度。“當我們把大約100個鐳射束聚焦在這個雲層上時，它們每個都像一個陷阱。這些光束聚焦非常緊密，可以抓住一個原子或零點，他們絕不能抓住兩個。那就是開始的樂趣。
使用顯微鏡，研究人員可以實時拍攝所捕獲的原子影象，然後以任意圖案進行排列，以供輸入。
盧金實驗室的博士後阿罕默德.奧姆蘭說：“我們以一種非常可控的方式來組裝它們。”他是該裝置的核心之一。從一個隨機性組裝模式開始，我們就需要決定哪個設定需要去哪裡，並安排到所需的叢集。
隨著研究人員開始將能量輸入系統，原子開始相互作用。這些相互作用給系統帶來了量子性質。
奧姆蘭說：“我們讓原子相互作用，這就是計算的真正原因。實質上，當我們用鐳射激發系統時，它自由組織。我們並不是說這個原子必須是1或者一個0，我們可以輕而易舉地把原子扔光，但是我們做的是讓原子為我們執行計算，然後我們測量結果”。
盧金及其同事表示，這些結果可以揭示覆雜的量子力學現象，這些現象幾乎不可能用傳統的計算機模擬。
“如果你有一個抽象的模型，其中有一定數量的粒子以某種方式相互作用，那麼問題是為什麼我們不坐在電腦上模擬這種模式呢？”博士問道。學生亞歷山大.基斯林，是另一位合作者。“原因是因為這些相互作用本質是量子力學的。如果您嘗試在計算機上模擬這些系統，那麼您將被限制，並且參數數量有限”。
他補充說：“如果你把系統做得越來越大，你很快就會耗盡記憶體和計算能力。“解決這個問題的方法是用粒子遵循與你正在模擬的系統相同的規則來構建問題。這就是為什麼我們稱之為量子模擬器”。
儘管可以使用經典的計算機來模擬小量子系統，但由盧金和他的同事開發的模擬器使用51個量子位，使得使用常規計算技術複製幾乎是不可能的。
他說：“重要的是，我們可以通過使用我們的機器模擬小型系統開始”。所以我們能夠證明這些結果是正確的。直到我們到達更大的系統。
“當我們開始時，所有的原子都處於標準狀態。當我們讀到最後的時候，我們會得到一串標準的點”。盧金實驗室的另一位博士後漢尼斯.伯尼說。“但是為了從開始到結束，我們必須經歷複雜的量子力學狀態。如果你有一個很大的錯誤率，量子力學狀態將崩潰”。
伯尼說，這就是相乾量子態，它允許系統作為模擬器工作，同時也使得該機器成為深入瞭解複雜量子現象，並最終進行有效計算的有價值的工具。該系統已經允許研究人員獲得獨特的見解，不同類型的量子相位之間的轉換，稱為量子相變。
通常，當你談論物質的各個階段時，你會說物質處於平衡狀態。但是一些非常有趣的物質狀態，可能會發生在遠離平衡的地方，而量子領域中有很多可能性。這是一個全新的領域。
研究人員已經看到了這些國家的證據。在對新系統進行的首批實驗之一中，團隊發現了一個連貫的非平衡狀態，這個狀態在相當長的時間內保持穩定。
量子計算機將被用來實現和研究未來幾年物質的非平衡狀態。另一個有趣的方向涉及解決複雜的優化問題。事實證明，通過程式設計原子位置和它們之間的相互作用，可以編碼一些非常複雜的問題。在這樣的系統中，一些提出的量子演算法可能會超越傳統的機器。目前還不清楚，因為我們不能明確地測試它們。但是我們正處於進入這個機制的邊緣，我們可以在包含或超過100個受控量子位的全量子機器上測試它們。科學地說，這真的很令人興奮。
文|由小來
圖片來源於網路