物理学家展示了一种操纵量子物质的新方法

物理学家演示了一个51个原子的量子模拟器

麻省理工学院和哈佛大学的物理学家展示了一种操纵量子物质的新方法。研究人员报告说,他们使用一种精细调谐的激光器系统,首先捕捉并调整51个单个原子(或量子比特)的相互作用。图片:克里斯汀Daniloff /麻省理工学院

物理学家们麻省理工学院哈佛大学展示了一种操纵量子物质的新方法。今天发表在《华尔街日报》上的一篇论文中自然他们报告说,他们使用了一个精细调谐激光器系统,首先捕捉并调整51个单个原子(或量子比特)的相互作用。

该团队的研究结果代表了科学家们能够单独控制的最大的量子比特阵列之一。在同一期自然来自马里兰大学的一个研究小组报告了一个类似大小的系统,使用捕获的离子作为量子比特。

在麻省理工学院和哈佛大学的方法中,研究人员生成了一个由51个原子组成的链,并对它们进行了编程,使它们经历一个量子相变,在这个相变中,每一个原子原子链条里的人很兴奋。这种模式类似于一种被称为反铁磁体的磁性状态,在这种状态下,每一个原子或分子的自旋都是对齐的。

团队描述了51-atom数组不是一个通用的量子计算机,计算理论上应该能够解决任何问题,但“量子模拟器”——一个量子比特系统可以用来模拟一个特定的问题或解决特定方程,比最快的古典电脑快得多。

例如,该团队可以重新配置原子的模式,以模拟和研究物质的新状态和量子现象,如纠缠。新的量子模拟器也可以作为解决最优化问题的基础,例如旅行推销员问题,在这个问题中,理论推销员必须找出访问给定城市列表的最短路径。这个问题的细微变化出现在许多其他研究领域,例如DNA排序,移动一个自动焊锡头到许多焊点,或路由数据包的数据通过处理节点。

“这个问题对于古典电脑来说是令人级要的,这意味着它可以解决这一定的城市来解决这个问题,但如果我想加更多的城市,它会变得更加困难,很快,”学习合作的Vladanvuletić说,“Lester Wolfe Mit物理学教授。“对于这种问题,您不需要量子计算机。模拟器足以模拟正确的系统。因此,我们认为这些优化算法是实现最简单的任务。“

这项研究是与哈佛大学教授米哈伊尔·鲁金(Mikhail Lukin)和马库斯·格雷纳(Markus Greiner)合作完成的;麻省理工学院访问科学家Sylvain Schwartz也是合著者。

独立但相互作用

量子计算机在很大程度上是一种理论设备,它有可能在世界上最强大的经典计算机所需的一小部分时间内完成极为复杂的计算。他们将通过量子位——一种数据处理单元——来实现这一点。与传统计算机的二进制位不同,量子位可以同时处于0和1的位置。这种叠加的量子特性允许一个量子位同时执行两个单独的计算流。向系统中添加额外的量子位元可以成倍地提高计算机的计算速度。

但主要的障碍阻止了科学家实现了一个完全运行的量子计算机。一个这样的挑战:如何获得Qubits以彼此互动,同时不与周围环境啮合。

“我们知道在与环境互动时非常轻松地转变古典,所以你需要[Qubits]超级隔离,”瓦雷耶蒂说,沃阿里斯说,电子产品研究实验室和Ultracold原子的MIT-HARVARD中心成员。“另一方面,他们需要强烈地与另一个Qubit互动。”

有些群体正在用离子或带电原子构建量子系统,如夸张。他们使用电场将离子捕获或与环境的其余部分隔离;一旦被困,离子彼此强烈相互作用。但是这些相互作用中的许多相互排斥,如类似取向的磁铁,因此难以控制,特别是在具有许多离子的系统中。

其他研究人员正在试验超导量子位——一种以量子方式表现的人造原子。但Vuletić表示,与基于实际原子的量子比特相比,这种人造量子比特有其缺点。

Vuletić说:“根据定义,每个原子都和其他同种原子一样。”“但如果是手工制作,就会受到制造方面的影响,比如过渡频率和耦合器等略有不同。”

设置陷阱

Vuletić和他的同事们提出了建立量子系统的第三种方法,使用中性原子——不带电荷的原子——作为量子位。与离子不同,中性原子不相互排斥,而且它们具有本质上相同的特性,这与制备的超导量子比特不同。

在之前的工作中,该小组设计了一种捕获单个原子的方法,通过使用激光束首先冷却一团接近的铷原子绝对零度温度,使它们的运动几乎停滞。然后他们使用第二束激光,分裂成100多束,来捕获和固定单个原子。他们能够对云团进行成像,以观察哪些激光束捕获了一个原子,并可以关闭某些激光束以丢弃那些没有原子的捕获。然后他们用原子重新排列所有的陷阱,以创建一个有序的、无缺陷的量子位阵列。

利用这项技术,研究人员已经能够构建一个由51个原子组成的量子链,这些原子都处于基态或最低能级。

在他们的新论文中,研究小组报告了更进一步的研究,控制这51个被困原子的相互作用,这是控制单个量子位元的必要步骤。为了做到这一点,他们暂时关闭了最初困住原子的激光频率,允许量子系统自然进化。

然后他们暴露了发展量子系统第三激光来激发原子进入所谓的里德伯状态——一个国家,一个原子的电子兴奋非常高的能量相比于其他原子的电子。最后,他们重新打开原子捕获激光束,以探测单个原子的最终状态。

“如果所有原子在地面处于基地开始,那么当我们尝试将所有原子放入这种激动的状态时,它出现的状态是每个第二个原子兴奋的状态,”vuletić说。“所以原子使量子相位过渡到类似于反霉素的东西。”

由于Rydberg态的原子相互作用非常强烈,所以这种跃迁只发生在其他原子中,而激发相邻的两个原子到Rydberg态所需要的能量比激光所能提供的要多得多。

Vuletić说研究人员可以通过改变被捕获原子的排列,以及原子激发激光束的频率和颜色来改变原子之间的相互作用。此外,该系统易于扩展。

“我们认为我们可以将其扩展到几百,”vuletić说。“如果要将此系统用作量子计算机,则根据您正在尝试模拟的系统,它变得有趣100个原子序。”

目前,研究人员正计划将51原子系统作为量子模拟器进行测试,特别是在可以使用绝热解决的路径规划优化问题上量子计算- 爱德华法里,塞西尔和IDA绿色医学教授的Quantum Computing的形式。

绝热量子计算提出用量子系统的基态来描述感兴趣问题的解决方案。当系统进化到产生问题本身时,系统的最终状态可以确定解决方案。

“您可以首先在简单和已知的最低能量状态下准备系统,例如他们的地面状态的所有原子,然后慢慢地将其变形以代表您要解决的问题,例如旅行推销员问题,”vuletić说。“它是系统中一些参数的缓慢变化,这正是我们在这个实验中所做的事情。因此,我们的系统朝向这些绝热量子计算问题。“

这项研究得到了美国国家科学基金会、陆军研究办公室和空军科学研究办公室的部分支持。

出版物:Hannes Bernien,等,“在51原子量子模拟器上”探测许多身体动态“,”自然551,579-584(2017年11月30日)doi: 10.1038 / nature24622

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