麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)的物理學(xué)家們已經(jīng)展示了一種處理物質(zhì)量子位的新方法。在“自然”雜志上發(fā)表的一篇論文中，他們用一個精細(xì)調(diào)諧的激光系統(tǒng)來報告，首先捕捉并調(diào)整51個單個原子或量子比特的相互作用。
該小組的結(jié)果代表了量子比特最大的陣列之一，被稱為量子比特，科學(xué)家們可以單獨控制。在同樣的“自然”雜志上，馬里蘭大學(xué)的一個研究小組報告了一個類似大小的系統(tǒng)，它使用被捕獲的離子作為量子比特。
在麻省理工學(xué)院 - 哈佛大學(xué)的方法中，研究人員生成了一個由51個原子構(gòu)成的鏈，并對它們進(jìn)行編程，使其經(jīng)歷一個量子相變，其中鏈中的每個其他原子都被激發(fā)。該圖案類似于稱為反鐵磁體的磁性狀態(tài)，其中每個其他原子或分子的自旋都對齊。
該團(tuán)隊將51原子陣列描述為不是一個普通的量子計算機(jī)，理論上它應(yīng)該能夠解決對其造成的任何計算問題，而是一個“量子模擬器” - 一個量子位系統(tǒng)，可以被設(shè)計為模擬一個特定的問題或解決一個特定的方程，比最快的傳統(tǒng)計算機(jī)快得多。
研究報告的共同作者VladanVuleti?說：“這個問題對于一臺經(jīng)典的計算機(jī)來說是指數(shù)級的困難，這意味著它可以為一定數(shù)量的城市解決這個問題，但是如果我想增加更多的城市，它將變得非常迅速，麻省理工學(xué)院的Lester Wolfe物理學(xué)教授。“對于這樣的問題，你不需要一臺量子計算機(jī)。模擬器足以模擬正確的系統(tǒng)。所以我們認(rèn)為這些優(yōu)化算法是最直接的任務(wù)。“
這項工作是與哈佛大學(xué)教授Mikhail Lukin和Markus Greiner合作完成的，麻省理工學(xué)院訪問科學(xué)家Sylvain Schwartz也是合著者。
分開但互動
量子計算機(jī)在很大程度上是理論上的設(shè)備，可能會在世界上最強(qiáng)大的經(jīng)典計算機(jī)所花費的時間的一小部分時間內(nèi)進(jìn)行非常復(fù)雜的計算。他們可以通過量子比特這樣做 - 數(shù)據(jù)處理單元不像經(jīng)典計算機(jī)的二進(jìn)制比特，可以同時處于0和1的位置。這種疊加的量子性質(zhì)允許單個量子位同時執(zhí)行兩個獨立的計算流。向系統(tǒng)添加額外的量子比特可以指數(shù)地加速計算機(jī)的計算。
但是主要的障礙阻止了科學(xué)家們實現(xiàn)一個完全可操作的量子計算機(jī)。一個這樣的挑戰(zhàn)：如何讓qubit互相交流而不與周圍環(huán)境接觸。
電子研究實驗室和麻省理工學(xué)院 - 哈佛超冷原子中心的成員Vuleti?說：“我們知道，當(dāng)它們與環(huán)境相互作用時，事物變得非常容易，所以你需要超級孤立。另一方面，他們需要與另一個量子位進(jìn)行強(qiáng)烈的互動。“
一些小組正在用離子或帶電荷的原子構(gòu)建量子系統(tǒng)作為量子比特。他們利用電場來捕獲或隔離環(huán)境中的其他部分的離子;一旦被困，離子之間強(qiáng)烈的相互作用。但是這些相互作用中的許多強(qiáng)烈地排斥，像具有相似取向的磁體，因此難以控制，特別是在具有許多離子的系統(tǒng)中。
其他研究人員正在試驗超導(dǎo)量子比特 - 人造原子被制造成以量子方式運作。但Vuleti?說這種制造的量子比起那些基于實際原子的量子來說是有缺點的。
Vuleti?說：“按照定義，每個原子與同一物種的每一個原子都是一樣的。“但是當(dāng)你手工制作它們的時候，就會產(chǎn)生制造上的影響，例如稍微不同的轉(zhuǎn)換頻率，耦合等等。”
設(shè)置陷阱
Vuleti?和他的同事提出了第三種建立量子系統(tǒng)的方法，用中性原子 - 不帶電荷的原子 - 作為量子位。與離子不同，中性原子不會相互排斥，而且與制造的超導(dǎo)量子比特不同，它們本質(zhì)上具有相同的性質(zhì)。
在以前的工作中，該團(tuán)隊設(shè)計了一種方法來捕捉單個原子，通過使用激光束首先冷卻銣原子云接近絕對零度的溫度，使其運動減速至接近停頓狀態(tài)。然后，他們使用第二臺激光器，將其分成100多個光束，以捕獲并保持各個原子。他們能夠?qū)υ七M(jìn)行成像，以查看哪些激光束已經(jīng)捕獲了一個原子，并且可以關(guān)閉某些光束以丟棄沒有原子的陷阱。然后他們用原子重新排列所有的陷阱，創(chuàng)建一個有序的，無缺陷的量子比特陣列。
利用這種技術(shù)，研究人員已經(jīng)能夠建立51個原子的量子鏈，全部被困在基態(tài)或最低能級。
在他們的新論文中，團(tuán)隊報告更進(jìn)一步，控制這51個被困原子的相互作用，這是操縱單個量子位的必要步驟。要做到這一點，他們暫時關(guān)閉了最初困住原子的激光頻率，讓量子系統(tǒng)自然而然地發(fā)展。
然后他們把進(jìn)化的量子系統(tǒng)暴露在第三束激光束中，試圖激發(fā)原子進(jìn)入所謂的里德堡狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，一個原子的電子被激發(fā)到一個非常高的能量，與原子的其余部分相比電子。最后，他們將原子俘獲激光束轉(zhuǎn)回來檢測單個原子的最終狀態(tài)。
Vuleti?說：“如果所有的原子都是從基態(tài)開始的，那么當(dāng)我們試圖把所有的原子都置于這個激發(fā)態(tài)時，就會出現(xiàn)這樣的狀態(tài)：每個原子都被激發(fā)出來。所以原子使量子相變成類似于反鐵磁體的東西。“
由于里德堡態(tài)中的原子彼此之間相互作用強(qiáng)烈，所以過渡只發(fā)生在其他所有原子中，并且要激發(fā)里德堡態(tài)的兩個相鄰原子比激光能提供更多的能量。
Vuleti?說，研究人員可以通過改變被捕獲原子的排列以及原子激發(fā)激光束的頻率或顏色來改變原子之間的相互作用。更重要的是，該系統(tǒng)可以很容易地擴(kuò)展。
Vuleti?說：“我們認(rèn)為我們可以把它擴(kuò)展到幾百個。“如果你想用這個系統(tǒng)作為一個量子計算機(jī)，它會變得有趣的100個原子的數(shù)量級，這取決于你試圖模擬的系統(tǒng)。
目前，研究人員正在計劃將51原子系統(tǒng)作為一個量子模擬器進(jìn)行測試，具體而言，就是可以使用絕熱量子計算來解決的路徑規(guī)劃優(yōu)化問題。量子計算是由Edward Farhi，Cecil和Ida首先提出的一種量子計算麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授。
絕熱量子計算提出，量子系統(tǒng)的基態(tài)描述了解決問題的興趣。當(dāng)系統(tǒng)可以演化出現(xiàn)問題本身時，系統(tǒng)的最終狀態(tài)可以確定解決方案。
“你可以從一個簡單而已知的能量最低的狀態(tài)開始，例如所有原子處于基態(tài)，然后緩慢地變形以代表你想解決的問題，例如旅行商問題，”Vuleti?說。“這是系統(tǒng)中一些參數(shù)的緩慢變化，這正是我們在這個實驗中做的。所以我們的系統(tǒng)是面向這些絕熱量子計算問題的。“
這項研究部分得到了國家科學(xué)基金會，陸軍研究室和空軍科學(xué)研究辦公室的支持。?
