哈佛大学的研究人员开发了一种称为量子模拟器的专用量子计算机，它可以用来从量子力学和材料特性之间的联系，到研究物质的新阶段，解决复杂的实际世界优化问题。
通常情况下，对电脑进行编程是一个相当艰巨的过程，涉及几个小时的编码工作，更不用说繁琐的调试，测试和文档工作，以确保其正常工作。
量子计算机
但是对于哈佛 - 麻省理工学院超冷原子研究中心和加州理工学院的物理学家来说，事实上要困难得多。
在哈佛大学物理系实验室工作的哈佛大学教授米哈伊尔·卢金（Mikhail Lukin）和马库斯·格雷纳（Markus Greiner）以及麻省理工学院教授弗拉丹·弗勒（Vladung Vuletic）领导的一个研究小组开发了一种特殊类型的量子计算机 - 量子模拟器，通过捕获超冷铷原子与激光并按特定顺序排列，然后让量子力学做必要的计算。
该系统可以用来从量子力学和材料属性之间的联系，到研究物质的新阶段以及解决复杂的现实世界中的优化问题等许多复杂量子过程中揭开新的曙光。该系统在11月30日发表在“ 自然”杂志上。
研究人员说，该系统的大尺寸和高度量子相干性的结合使其成为一项特别重要的成就。超过50个相干量子比特，这是有史以来最大的量子体系之一，具有独立的组装和测量。
在同一期“ 自然”杂志上，马里兰大学联合量子研究所的一个研究小组描述了一个同样大小的带电离子系统，也用激光进行控制。总而言之，这些互补的进展是实现大型量子机器迈出的重要一步。
Lukin说：“所有事情都发生在一个小型的真空室里，在这里我们有一个非常稀薄的原子蒸气，这个蒸气被冷却到绝对零度。“当我们把大约一百束激光束聚焦在这个云层中时，它们每个都像一个陷阱，这些光束聚焦得很紧，它们可以抓住一个原子或零点，不能抓住两个，这就是乐趣开始的时候“。
使用显微镜，研究人员可以对捕获的原子进行实时成像，然后将其排列成任意图案来组成系统的输入。
在Lukin实验室工作的博士后Ahmed Omran说：“我们以非常可控的方式组装他们。”他是该论文的合着者之一。“从一个随机模式开始，我们决定哪个陷阱需要去哪里安排到所需的群集。”
随着研究人员开始向系统中提供能量，原子开始相互作用，Lukin说这就是这些相互作用，使系统具有量子性质。
Omran说：“我们让原子相互作用，这就是计算的真正原因。“实质上，当我们用激光激发系统时，它是自组织的，我们并不是说这个原子必须是一个或一个零 - 只要把光投射到原子上，我们就可以轻松地做到这一点 - 但我们所做的是让原子为我们执行计算，然后测量结果。“
Lukin及其同事表示，这些结果可以揭示复杂的量子力学现象，这些现象几乎不可能用传统的计算机模拟。
“如果你有一个抽象的模型，其中有一定数量的粒子以某种方式相互作用，那么问题是我们为什么不坐在计算机上模拟它呢？问博士。该研究的另一位合着者，学生Alexander Keesling。“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，那么你只能将系统规模限制在很小的范围内，而且参数数量是有限的。
他继续说：“如果你把系统做得越来越大，你很快就会耗尽内存和计算能力，在传统的计算机上进行模拟。“解决方法是实际上用粒子遵循与您正在模拟的系统相同的规则来构建问题 - 这就是为什么我们称之为量子模拟器。
尽管可以使用经典的计算机来模拟小量子系统，但由Lukin和他的同事开发的模拟器使用51个量子位，使得使用传统计算技术复制几乎是不可能的。
他说：“重要的是，我们可以通过使用我们的机器模拟小型系统开始。“所以我们能够证明这些结果是正确的...直到我们到达更大的系统，因为没有简单的比较，我们可以做。
“当我们开始的时候，所有的原子都处于经典状态，当我们读到最后的时候，我们会得到一串经典的零点和零点，”Lukin实验室的博士后Hannes Bernien补充道，和研究的合着者。“但是为了从头到尾得到，他们必须经历复杂的量子力学状态，如果你有很大的错误率，量子力学状态就会崩溃。
伯尼恩说，这就是相干量子态，它使系统可以作为一个模拟器工作，同时也使得该机器成为获得复杂量子现象的新洞察力并最终进行有用的计算的有价值的工具。该系统已经允许研究人员获得独特的见解不同类型的量子相位之间的转换，称为量子相变。这也可能有助于揭示新的异国情调，Lukin说。
他说：“通常，当你谈论物质的各个阶段时，你会说物质处于平衡状态。“但是一些非常有趣的新物质状态可能会发生在远离平衡的地方......而且量子领域有很多可能性，这是一个全新的前沿。
卢金说，研究人员已经看到了这些状态的证据 - 在新系统的第一个实验之一，团队发现了一个新的连贯的非平衡状态，在一个惊人的长时间保持稳定。
他说：“量子计算机将用于实现和研究未来几年物质的非平衡状态。“另一个令人感兴趣的方向是涉及解决复杂的优化问题，事实证明可以通过编程原子位置和它们之间的相互作用来编码一些非常复杂的问题，在这样的系统中，一些提出的量子算法可能会胜过传统的机器，尚不清楚它们是否会或者不是，因为我们无法对它们进行经典测试，但是我们即将进入可以在含有超过百个受控量子比特的全量子机器上进行测试的机制，从科学的角度来看，这真的很令人兴奋。
原文发布时间为：2018-01-08
本文作者：科技探索Discovery
本文来源：今日头条，如需转载请联系原作者。
