51量子比特模擬器問世，大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)邁出重要一步

　　通常來說，進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程已經(jīng)是一項(xiàng)相當(dāng)費(fèi)力的工作，代碼除了需要數(shù)小時(shí)的編寫外，還需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)試、測(cè)試以及詳情記錄，來確保它能正常工作。不過事實(shí)上，與麻省理工-哈佛超冷原子中心和加州理工學(xué)院的物理學(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì)正做的工作相比，其難度就變得微乎其微了。

　　最近，哈佛大學(xué) Mikhail Lukin，Markus Greiner 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)與麻省理工的 Vladan Vuletic 教授共同開發(fā)了一種特殊的量子計(jì)算機(jī)——量子模擬器。這一量子模擬器由激光捕獲的超冷銣原子所編碼，將這些冷原子以特定的順序進(jìn)行排列，就能實(shí)現(xiàn)一些必要的量子計(jì)算。

　　圖 | 哈佛大學(xué)物理學(xué)教授 Markus Greiner(左)與 Mikhail Lukin(右)開發(fā)了 51 量子比特的量子模擬器

　　該模擬器系統(tǒng)可用于揭示一系列復(fù)雜的量子過程，包括量子力學(xué)和材料性質(zhì)之間的聯(lián)系以及物質(zhì)的新相態(tài)。同時(shí)，它也將有助解決現(xiàn)實(shí)世界中復(fù)雜的優(yōu)化問題。目前，該系統(tǒng)的詳細(xì)研究結(jié)果已發(fā)表在 11 月 30 日的《自然》雜志上。

　　這個(gè)系統(tǒng)是迄今為止最大的量子系統(tǒng)之一，有超過 50 個(gè)相干量子比特包含其中。研究者說到，該模擬器的最大成功就在于其有效結(jié)合了大尺度系統(tǒng)與高維度的量子相干性。

　　另外，在同一期《自然》雜志上，馬里蘭大學(xué)聯(lián)合量子研究所的一個(gè)小組也描述了一個(gè)相似大小的用激光控制的冷極化離子系統(tǒng)?？偟目磥?，這些互補(bǔ)的研究進(jìn)展都將成為邁向大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的重要一步。

　　“所有的事情都發(fā)生在一個(gè)小小的真空室里，里面非常稀薄的原子蒸汽可被冷卻到接近絕對(duì)零度”，Lukin 說到，“當(dāng) 100 束左右的激光穿過蒸汽云時(shí)，每一束激光都充當(dāng)著一個(gè)勢(shì)阱。這些光束是如此的緊密地聚焦在一起，以致它們最多只能捕獲到一個(gè)原子。而研究樂趣也從此開始。”

　　圖 | 量子模擬器中用于捕獲原子的激光器

　　研究人員利用顯微鏡可實(shí)時(shí)采集被捕獲原子所構(gòu)成的圖像，然后根據(jù)所需要輸入的模式將它們進(jìn)行特定排列。

　　Lukin 教授實(shí)驗(yàn)室的博士后，論文的共同作者 Ahmed Omran 說到：“我們用一種非?？煽氐姆绞絹砼帕薪M合這些原子。從一個(gè)隨機(jī)的模式開始，然后通過變換勢(shì)阱的位置就能使得原子被排列到所需要的特定集群中去。”

　　而當(dāng)研究人員開始向系統(tǒng)中注入能量時(shí)，原子間就開始相互作用。Lukin 解釋到，這些相互作用能給系統(tǒng)賦予量子特性。

　　“真正意義上來講，只有原子相互作用了，才能認(rèn)為是開始執(zhí)行計(jì)算了”，Omran 說到，“本質(zhì)上說，當(dāng)我們用激光激發(fā)系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)原子就會(huì)做出相對(duì)應(yīng)的自適應(yīng)行為。不過這種自適應(yīng)并非簡(jiǎn)單的用激光在某處捕獲 1 個(gè)或 0 個(gè)原子，而是利用這種原子自適應(yīng)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，最后我們?cè)賹?duì)結(jié)果進(jìn)行測(cè)量。”

　　Lukin 和他的同事們表示，這些測(cè)量結(jié)果可以解釋那些傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)幾乎不可能進(jìn)行建模的復(fù)雜量子力學(xué)現(xiàn)象。

　　“為什么你已經(jīng)有一個(gè)抽象的模型，也知道其中有一定數(shù)量的粒子進(jìn)行著某些相互作用，但你還是不能坐在電腦前進(jìn)行模擬呢?”論文的共同作者 Alexander Keesling 拋出問題并解釋到，“問題的關(guān)鍵在于這些相互作用是量子的，如果系統(tǒng)尺寸過大的話，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存和計(jì)算能力將很快耗盡，也就無法實(shí)現(xiàn)計(jì)算模擬。因而在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上模擬的話，就必須要把系統(tǒng)限制在很小的尺寸，因此帶來的不足是系統(tǒng)的許多參量將被限制。而我們解決這個(gè)問題的方法是，直接用所需模擬的系統(tǒng)的物理規(guī)則來重新構(gòu)建粒子問題。而這就是為什么我們稱其為量子模擬器的原因所在。”

　　盡管傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)可以模擬小型量子系統(tǒng)，但其仍舊不大可能模擬像量子模擬器這樣的包含 51 個(gè)量子比特的系統(tǒng)。

　　Keesling 補(bǔ)充到:“對(duì)于較大系統(tǒng)的模擬，我們沒有可進(jìn)行比較的簡(jiǎn)單參考。因而讓我們的模擬器先進(jìn)行小系統(tǒng)模擬來驗(yàn)證結(jié)果的正確性也是相當(dāng)重要。”

　　Lukin 實(shí)驗(yàn)室的博士后，論文的另一位作者 Hannes Bernien 說到:“一開始所有的原子都處于經(jīng)典的狀態(tài)，而最后我們讀取到的也是一連串由 0 和 1 構(gòu)成的經(jīng)典比特。但原子的經(jīng)歷的中間過程其實(shí)是復(fù)雜的量子態(tài)。如果存在一個(gè)很大的錯(cuò)誤率的話，量子態(tài)就會(huì)塌縮到一個(gè)經(jīng)典狀態(tài)。”

　　Bernien 解釋到：“量子相干態(tài)是原子系統(tǒng)可作為一個(gè)模擬器的關(guān)鍵，讓模擬器成為一個(gè)頗具價(jià)值的計(jì)算工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜量子現(xiàn)象進(jìn)行洞察和揭示并執(zhí)行最終有用的相關(guān)運(yùn)算。另外，利用這個(gè)系統(tǒng)，研究者對(duì)于不同類型的量子相轉(zhuǎn)變問題(量子相變)也獲得了一些獨(dú)特的見解。”

　　Lukin 談到：“這一系統(tǒng)或許有助于揭示一些新的、奇特的物質(zhì)形態(tài)。通常，對(duì)于物質(zhì)的狀態(tài)，我們一般會(huì)談平衡態(tài)，但是一些非常有趣的新的物質(zhì)狀態(tài)可能會(huì)遠(yuǎn)離平衡態(tài)，并且這在量子領(lǐng)域確實(shí)有相當(dāng)大的可能性存在。而這將是一個(gè)全新的研究領(lǐng)域。”

　　Lukin 表示，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這些新物質(zhì)態(tài)的存在的證據(jù)。在對(duì)新系統(tǒng)進(jìn)行的第一次實(shí)驗(yàn)中，研究小組發(fā)現(xiàn)了一個(gè)相干的非平衡狀態(tài)，并且能在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。

　　Lukin 認(rèn)為，未來幾年，量子計(jì)算機(jī)將被用來認(rèn)識(shí)和研究這些物質(zhì)的非平衡態(tài)。而另一個(gè)有趣的研究方向?qū)⑸婕暗氖墙鉀Q復(fù)雜的優(yōu)化問題。

　　事實(shí)證明，通過編程原子位置和它們之間的交互，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一些非常復(fù)雜的問題進(jìn)行編碼。在這樣的系統(tǒng)中，一些量子算法相比經(jīng)典計(jì)算或許具有更好的表現(xiàn)，不過現(xiàn)在還不清楚是否真如所愿，因?yàn)槲覀兡壳斑€無法用經(jīng)典的方法來測(cè)試他們。

　　但是，量子計(jì)算的全新領(lǐng)域即將到來，到時(shí)我們就可以利用真正意義上的包含 100 多個(gè)量子比特的的量子計(jì)算機(jī)來對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。從科學(xué)角度來說，這將是振奮人心的。

　　這項(xiàng)研究的其他合著者包括：訪問科學(xué)家 Sylvain Schwartz，哈佛大學(xué)研究生 Harry Levine 與 Soonwon Choi，研究助理 Alexander S. Zibrov 和 Manuel Endres 教授。研究得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、超冷原子研究中心、陸軍研究辦公室以及 Vannevar Bush 教員獎(jiǎng)學(xué)金的資助。