51量子比特模擬器問(wèn)世，大規模量子計算機邁出重要一步

　　通常來(lái)說(shuō)，進(jìn)行計算機編程已經(jīng)是一項相當費力的工作，代碼除了需要數小時(shí)的編寫(xiě)外，還需要對其進(jìn)行調試、測試以及詳情記錄，來(lái)確保它能正常工作。不過(guò)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)家組成的研究團隊正做的工作相比，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)導的研究團隊與麻省理工的 Vladan Vuletic 教授共同開(kāi)發(fā)了一種特殊的量子計算機——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)現一些必要的量子計算。

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

　　該模擬器系統可用于揭示一系列復雜的量子過(guò)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)，它也將有助解決現實(shí)世界中復雜的優(yōu)化問(wèn)題。目前，該系統的詳細研究結果已發(fā)表在 11 月 30 日的《自然》雜志上。

　　這個(gè)系統是迄今為止最大的量子系統之一，有超過(guò) 50 個(gè)相干量子比特包含其中。研究者說(shuō)到，該模擬器的最大成功就在于其有效結合了大尺度系統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?？偟目磥?lái)，這些互補的研究進(jìn)展都將成為邁向大規模量子計算機的重要一步。

　　“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零度”，Lukin 說(shuō)到，“當 100 束左右的激光穿過(guò)蒸汽云時(shí)，每一束激光都充當著(zhù)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(lè )趣也從此開(kāi)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成的圖像，然后根據所需要輸入的模式將它們進(jìn)行特定排列。

　　Lukin 教授實(shí)驗室的博士后，論文的共同作者 Ahmed Omran 說(shuō)到：“我們用一種非?？煽氐姆绞絹?lái)排列組合這些原子。從一個(gè)隨機的模式開(kāi)始，然后通過(guò)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。”

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

　　“真正意義上來(lái)講，只有原子相互作用了，才能認為是開(kāi)始執行計算了”，Omran 說(shuō)到，“本質(zhì)上說(shuō)，當我們用激光激發(fā)系統時(shí)，系統原子就會(huì )做出相對應的自適應行為。不過(guò)這種自適應并非簡(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進(jìn)行相關(guān)計算，最后我們再對結果進(jìn)行測量。”

　　Lukin 和他的同事們表示，這些測量結果可以解釋那些傳統的計算機幾乎不可能進(jìn)行建模的復雜量子力學(xué)現象。

　　“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量的粒子進(jìn)行著(zhù)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(wèn)題并解釋到，“問(wèn)題的關(guān)鍵在于這些相互作用是量子的，如果系統尺寸過(guò)大的話(huà)，傳統計算機的內存和計算能力將很快耗盡，也就無(wú)法實(shí)現計算模擬。因而在傳統計算機上模擬的話(huà)，就必須要把系統限制在很小的尺寸，因此帶來(lái)的不足是系統的許多參量將被限制。而我們解決這個(gè)問(wèn)題的方法是，直接用所需模擬的系統的物理規則來(lái)重新構建粒子問(wèn)題。而這就是為什么我們稱(chēng)其為量子模擬器的原因所在。”

　　盡管傳統計算機技術(shù)可以模擬小型量子系統，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。

　　Keesling 補充到:“對于較大系統的模擬，我們沒(méi)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)行小系統模擬來(lái)驗證結果的正確性也是相當重要。”

　　Lukin 實(shí)驗室的博士后，論文的另一位作者 Hannes Bernien 說(shuō)到:“一開(kāi)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 構成的經(jīng)典比特。但原子的經(jīng)歷的中間過(guò)程其實(shí)是復雜的量子態(tài)。如果存在一個(gè)很大的錯誤率的話(huà)，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)值的計算工具，實(shí)現對復雜量子現象進(jìn)行洞察和揭示并執行最終有用的相關(guān)運算。另外，利用這個(gè)系統，研究者對于不同類(lèi)型的量子相轉變問(wèn)題(量子相變)也獲得了一些獨特的見(jiàn)解。”

　　Lukin 談到：“這一系統或許有助于揭示一些新的、奇特的物質(zhì)形態(tài)。通常，對于物質(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 )遠離平衡態(tài)，并且這在量子領(lǐng)域確實(shí)有相當大的可能性存在。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)現了這些新物質(zhì)態(tài)的存在的證據。在對新系統進(jìn)行的第一次實(shí)驗中，研究小組發(fā)現了一個(gè)相干的非平衡狀態(tài)，并且能在很長(cháng)一段時(shí)間內保持穩定。

　　Lukin 認為，未來(lái)幾年，量子計算機將被用來(lái)認識和研究這些物質(zhì)的非平衡態(tài)。而另一個(gè)有趣的研究方向將涉及的是解決復雜的優(yōu)化問(wèn)題。

　　事實(shí)證明，通過(guò)編程原子位置和它們之間的交互，可以實(shí)現對一些非常復雜的問(wèn)題進(jìn)行編碼。在這樣的系統中，一些量子算法相比經(jīng)典計算或許具有更好的表現，不過(guò)現在還不清楚是否真如所愿，因為我們目前還無(wú)法用經(jīng)典的方法來(lái)測試他們。

　　但是，量子計算的全新領(lǐng)域即將到來(lái)，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算機來(lái)對其進(jìn)行測試。從科學(xué)角度來(lái)說(shuō)，這將是振奮人心的。

　　這項研究的其他合著(zhù)者包括：訪(fǎng)問(wèn)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 教員獎學(xué)金的資助。