2021-07-13
你(nǐ)見過用原子(zǐ)制作的視頻嗎？
圖|原子(zǐ)視頻（來源：哈佛大學）
原子(zǐ)的半徑非常微小，大約在10^-15數量級，在實驗上将256個(gè)原子(zǐ)按照設計需要，排列成任意的三書金維形狀，并進行相幹操作演示量子(zǐ)模拟是一件非服睡常不可(kě)思議的事情。
能把這麼小的微粒做成視頻确實非常少(shǎo)見，而這正是哈佛-麻省理工學院超冷(lěng)原子(zǐ)中(zhōng)長好心（Harvard-MIT Center for ultra-co低從ld Atoms）及合作團隊的成果體現，該成果基于他們最近宣布的“有史以來最大的”256個(gè)量子(zǐ)比特模拟器(qì)。
256量子(zǐ)比特模拟器(qì)的容量有多少(shǎo)？據研究團隊介紹，這麼大話湖的模拟器(qì)能産生的量子(zǐ)态數你我量，甚至會超過太陽系原子(zǐ)的數量。
談及該研究，2020年曾在Natur上發表過類似成果的中(zhōng)國科學技術(shù)大學合肥微朋劇尺度物質科學國家實驗室教授苑震生告訴DeepTech：“這項研究顯示，人們對微觀粒子(zǐ)的量子(zǐ)調控能力越來越強，時空可(kě)以形成中(zhōng)等尺度的量子(zǐ)腦男模拟器(qì)，制備、調控和(hé)觀測複雜的強關(guān)聯量妹森子(zǐ)物态，解決經典超級計算機難以處理的量街但子(zǐ)材料問(wèn)題。”
圖|該團隊開發出一種量子(zǐ)計算機，名字叫可(kě票信)編程量子(zǐ)模拟器(qì)。圖為研究人員正在調試車離設備，以便制造可(kě)編程光鑷（來源：哈佛大學）
解決經典超算的量子(zǐ)材料處理難題
當地時間7月(yuè)7日，相關(guān)論文(wén)以《256原子(zǐ)可(kě)編程量子(zǐ)模拟器音我(qì)上的物質量子(zǐ)相》（Quantum phases of matter on a光知 256-atom programmable quantum s了老imulator）為題發表在Nature上。來自一支法國團隊的類似論文(wén)也背靠背地發表在Nature上。
圖|相關(guān)論文(wén)（來源：Nature）
盡管人們在可(kě)編程量子(zǐ)系統領域内玩土，尤其是在模拟和(hé)計算方面已經取得一些成果。比如兵知(rú)目前最新可(kě)編程量子(zǐ)系統已能達到含有五自機十多個(gè)被俘獲離(lí)子(zǐ)的離(lí)子(zǐ)阱冷城系統或超導量子(zǐ)比特。
另外，76個(gè)光子(zǐ)的高斯波色采樣已被用來實現量子(z討行ǐ)霸權執行玻色子(zǐ)采樣，具有數百個(gè)原和姐子(zǐ)的光學晶格正被用于探索哈伯德模型，更大尺度的伊辛自旋系統已經被基了動于超導量子(zǐ)比特的量子(zǐ)計算機模拟。但它們都有一個(gè)共同的少音缺點，即缺乏探測量子(zǐ)物質所必需的相幹性。而這正是該研作我究要解決的主要痛點。
近年來，中(zhōng)性原子(zǐ)陣列已成為實現可(k些家ě)編程量子(zǐ)系統的一個(gè)“潛力股”平台。基于裡德堡态中(zhōng)的冷(lěng)原子(zǐ)，原子(zǐ)陣下明列被用于探索一維和(hé)二維系統中(zhōng)的量子(zǐ)動(媽科dòng)力學，從而去高保真度大規模的量子(zǐ)糾纏系統，進而去執行并行爸村量子(zǐ)邏輯操作，最終可(kě)實現基和事于囚禁中(zhōng)性原子(zǐ)陣列的量子(z新友ǐ)計算機系統。
圖|通(tōng)過淬火動(dòng)力學分析條紋相的相關(guān)性數技和(hé)相幹性（來源：Nature）
雖然大量的原子(zǐ)被俘獲、并能重新以二維方式和(hé)三維方式重新排列，草做但是使用同相位的方式去操作一個(gè)由100個(gè)粒子(zǐ)構成的可(kě)編程、海工強相互作用的系統，仍然是一個(gè)巨大考驗。
這也讓本次成果顯得尤為寶貴，該論文(wén)的頻雜通(tōng)訊作者、哈佛大學物理學教授米哈伊爾・魯金（Mikhail Lukin）也表示：“這項研究将該領域推到了一個(gè)前所未有的地方。”
圖|哈佛大學物理學教授米哈伊爾・魯金（Mikhail Lukin）（來源：哈佛大學）
據了解，哈佛量子(zǐ)計劃正是由米哈伊爾・魯金共同發起。本次研究中(zhōng)，他和(hé)團上吃隊還演示了幾個(gè)新的量子(zǐ)相，并定量探測了相關(g信綠uān)的相變。
該校(xiào)藝術(shù)與科學研究生院的物理系學生塞佩爾・埃巴迪（Sepehr Ebadi）擔任論文(wén)一作，他表示由于該系統具備前所未有的規信飛模和(hé)可(kě)編程性，這也讓本次量子(zǐ)草愛計算機的性能位居業(yè)内前沿。
通(tōng)過利用極小尺度下(xià)的物質特性，該量子(zǐ)計鐘我算機可(kě)極大提高處理能力。在一定情況下(xià)，量快畫子(zǐ)比特的增加，意味着相比于标準計算機，它能處理月那更高級别的信息。
圖|二維正方晶格的相圖（來源：Nature）
通(tōng)過研究中(zhōng)的模拟器(qì)，研究人員可(kě)觀察黑師到一些此前從未在實驗室内實現過的物質量子(zǐ)态，并能對其進行量子(z還愛ǐ)相變研究，其精确性足以成為磁性在量子(zǐ)層面上操控的教科書範例。把水海原子(zǐ)按順序排列時，竟然還能拍攝單個(gè)原子(zǐ)的圖像，如可去(rú)本文(wén)開頭所示，研究人員甚至能制作趣味原子(去影zǐ)視頻。
研究中(zhōng)，該團隊使用的是2017年開發的平台的升級版——即第二代平台，第二代平員友台可(kě)達51量子(zǐ)比特。通(tōng)過該平台，研究人員能捕捉到超冷(lěn西習g)狀态下(xià)的铷原子(zǐ)，并能知又使用一種名為光鑷的二維單獨聚焦激光束陣列，去将這些铷原子(zǐ)按特定順序進行就道排列。
相關(guān)實驗也是在第二代平台上進行的，我雜所涉及的新裝置使用空間光調制器(qì)（SLM），從而可(kě)在真空單元中(zhōng)形成友讀一個(gè)大型二維光鑷陣列，這時靜态鑷子(zǐ)陣列會從磁光阱中(男匠zhōng)加載單獨的87Rb原子(zǐ)，1000個(gè)光鑷的均勻加載概率為50-60%。
使用移動(dòng)光鑷，可(kě)将最初加載的原子(慢雜zǐ)重新排列到可(kě)編程、無缺陷的模式，體動這些光鑷會被一對交叉的聲光偏轉器(qì)（AODs）引導到任意二維位置。
研究人員可(kě)借此創造出可(kě)編程形狀，如(rú)正方形、蜂窩狀或三讀習角形晶格。通(tōng)過設計不同的形狀，量子(zǐ)比特元之間會呈現校紅出不同的相互作用。而針對多達數百個(gè)原子(zǐ)的陣列，該過程總耗時50-100ms，導緻填充的原子(zǐ)陣列的填充率能達到99%。
圖|強相互作用的裡德堡原子(zǐ)的可(kě)我日編程二維陣列（來源：Nature）
另外，本次使用的新平台，可(kě)讓研究人員用光學筆将原子(zǐ)分組成二維市請網絡，這能把系統大小從51個(gè)量子(zǐ)位增加到256個(gè)量子(zǐ)位。
（來源：Nature）
空間光調制器(qì)是本次使用的新平台的主要構成上男部分，它被用于整形光波前，整形之後即可(kě)産生數百個(gè)單獨相愛聚焦的光鑷光束。
由于原子(zǐ)在光鑷中(zhōng)的初始載荷是随機的，因此研究人年玩員必須移動(dòng)原子(zǐ)、以使其排列成目标們男幾何形狀。
研究中(zhōng)，他們使用移動(dòng)光鑷将原子(zǐ)拖機都到想要的位置，這樣的好處在于能消除初始随機性。而激光的存在對歌，則能控制原子(zǐ)量子(zǐ)比特元的位置開高、以及操縱相幹量子(zǐ)态。
圖|研究人員用420毫米激光來控制和(hé)糾纏裡德堡原子(z車師ǐ)（來源：哈佛大學）
在處理量子(zǐ)信息時，也可(kě)使用多量子(zǐ習分)比特操作的方法、以及量子(zǐ)糾錯和(h雜房é)容錯控制的協議來探索。該團隊的研究方法，也非常适合于實現量子(zǐ)我窗優化和(hé)采樣的新算法。
該研究還可(kě)通(tōng)過升級真空系統、以及提高光子(zǐ)收門開集效率進行改進，其中(zhōng)量子(zǐ)相幹性可(kě)通(tōn吃數g)過使用高能裡德堡激光器(qì)、和(hé)在超子如精細基态中(zhōng)編碼量子(zǐ)比特兩種方法來進行增強。而不同原子妹學(zǐ)和(hé)分子(zǐ)種類的光鑷，也能提供額外的功能，并在量子快樂(zǐ)模拟和(hé)計量學中(zhōng)得到新的應用。
本次實驗實現了幾個(gè)新的量子(zǐ)相，并為二維系統中紅兒(zhōng)的量子(zǐ)相變提供了見解。這近門些研究可(kě)以沿着幾個(gè)方向擴展，包括通(tōng)過量子(zǐ)會銀相變快速淬滅探索非平衡糾纏動(dòng)力學、尖銳慢輛邊界系統中(zhōng)表面臨界的研究、缺陷晶格上物質的拓撲量子資舊(zǐ)态的研究、晶格規範理論的模拟以及使用超精細編碼對更廣泛東紅的自旋模型的研究。
圖|使用棋盤排序的量子(zǐ)模拟器(qì)的基準測試（媽短來源：Nature）
本次研究的實驗表明，二維裡德堡原子(zǐ)陣列構成了數百個月西(gè)量子(zǐ)位元可(kě)編程量子(zǐ)模拟的小門強大平台。他們期望未來系統的大小、量子(zǐ)控制跳銀保真度和(hé)可(kě)編程度都可(kě)以通(tōn海個g)過技術(shù)改進而大大提高。
哈佛大學物理學研究助理、論文(wén)作者之一的Tout T.Wang告訴媒體：“我們的工作是構建更大更好的量子(zǐ)計算機的......全球競賽的一部分。”
其還表示，除了該團隊自己的努力，以及其他頂級學術(shù)研究機構人身的參與，谷歌、IBM、亞馬遜和(hé)許多其他機構都對該研究進行了大型投站河資(zī)。
目前，研究人員正通(tōng)過改進激光對量子(zǐ)比特的控制、以及小謝讓系統更具可(kě)編程性。他們也在積極探索将該系統用于新場景，比如(rú)從議來探索奇異的量子(zǐ)物質形式、到在量子(zǐ)比特上自然編碼上解決挑戰性難題人空。
據悉，量子(zǐ)比特是量子(zǐ)計算機運行的基本構件，也是其巨大處理數制能力的來源。量子(zǐ)機器(qì)可(kě)用于揭黑秒示一系列複雜的量子(zǐ)過程，并能幫助人類在友城材料科學、通(tōng)信技術(shù)、金融和(hé)許多其他匠音領域帶來現實世界的突破，克服了當今最快的超級計算機都無法克服的研低志究障礙。
概括來說，本次研究成果給複雜量子(zǐ)物質的研究提出了新途徑，訊文為研究奇異量子(zǐ)相、非平衡糾纏動(dò村視ng)力學和(hé)量子(zǐ)算法的硬件熟練實現鋪平了道鄉秒路(lù)，标志着人類朝向建造大量子(zǐ城器)模拟器(qì)方向邁出了重要一步。
（轉載自DeepTech深科技）
