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)。總的看來，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)行測量。”

　　Lukin 和他的同事們表示，這些測量結(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。研究得到了美國國家科學(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。