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导读
背景 即便对于世界上最强大的经典计算机来说，有些非常复杂的计算仍需要花费非常长的时间。然而从理论上说，量子计算机却可以胜任这种非常复杂的计算任务。之所以量子计算机可以做到，是因为它拥有“量子位”。 普通的经典二进制计算机存储信息用的是：比特位（用0和1）。而量子计算机则是通过量子位表示量子信息。简单说，量子位是一个双态量子系统（例如：光子偏振态或电子自旋态等等）。而关键在于，量子位可能同时处于“即是0和又是1”的状态。 然而，科学家实现完全可操作的量子计算机存在的最大障碍就是：如何让量子位相互之间交互，而又不受周围环境影响。据麻省理工学院科学家 Vuletic 称，当与环境发生交互时，量子的东西非常容易变成经典的，所以量子位需要与外界隔绝。从另外一方面说，它们需要与另外一个量子位保持强烈交互。 某些研究小组采用离子或者带电原子作为量子位，构建量子系统。他们采用电场囚禁或者隔离离子；离子一旦被囚禁，会在相互之间强烈地交互。但是，这些交互大多数会受到强烈排斥，就像相同方向的磁体一样，因而难以控制，特别是在许多离子系统中。 另外一些研究人员正在通过实验研究超导量子位，它是具有量子状态的人造原子。但Vuletic 称，这些人造量子位相对于实际的原子，还是会具有一些缺点。因为自然中的每个原子与其同类的其他原子是相同的，但手工制造它们时，由于制造工艺影响，就会产生不同的过度频率、耦合等等。 创新 针对上述问题，科学家们采用了一个新方法来构建量子系统，即采用中性的原子（原子不带电荷）作为量子位。和离子不同，中性的原子不会相互排斥，从根本上说它们具有相同的特性，与人工制造出来的超导量子位不同。 最近在哈佛物理系实验室，哈佛大学教授 Mikhail Lukin、Markus Greiner和麻省理工学院教授 Vladan Vuletic 领导的科研团队开发出一种特殊的量子计算机，也称为量子模拟器，用于操作物质的量子位。 （图片来源：Jon Chase/Harvard） 11月30日发表于《自然》杂志的论文描述了该系统，它将激光器成功地调谐为陷阱，通过激光捕获超冷的铷原子，控制51个原子或者量子位之间的交互，并以特定顺序组织它们，然后利用量子机制展开必要的计算。 （图片来源：Christine Daniloff/MIT） 在《自然》杂志的同一期刊上，马里兰大学联合量子研究所的科研团队也描述了一种类似尺寸的冷带电粒子，同样也是通过激光控制。这些量子研究进展一并构成了通往大规模量子计算机的重要步骤。 技术 研究人员生成了由51个原子的组成的链，对于它们进行编程，引起量子相变，使链中的原子都被激活。该模式代表的磁性状态称为“反铁磁性物质”，在其中每个原子或分子都是对齐的。 这种51个原子阵列并不是一个普通的量子计算机，它理论上可以解决任何计算问题。这个量子位系统可以模拟特定问题或者求解特定方程式，比经典计算机的处理速度更快。 例如，团队可以重新配置原子的模式，模拟并研究物质的新状态或者量子纠缠现象。这种新的量子模拟器也可以用于解决优化算法问题，例如旅行商问题。旅行商问题是指：理论商的旅行商必须求解出在给定的城市列表旅行的最短路径。类似的问题出现在许多研究领域，例如DNA测序、将烙铁头自动移动到焊接点、沿着节点处理数据包路由等。 这类问题对于经典计算机来说非常困难，而量子计算机正好可以解决。量子模拟器可以正确地模拟此类问题，因此优化算法问题特别需要量子模拟器来解决。 Lukin 表示，一切都发生小型真空室中，在那里有非常稀薄的原子蒸汽，接近于绝对零度。当研究人员聚焦100条激光光线穿透这片云，每一条光线就像一个陷阱。这些光线密集地聚焦，捕获一个原子，或者一个也抓不到；它们无法抓住两个。这一点正是有意思的地方。 （图片来源：Jon Chase/Harvard） 研究人员使用显微镜实时拍摄了捕捉到的原子模式，然后以任意模式组织它们并作为输入。 Lukin 实验室的博士后研究员、论文的合著者 Ahmed Omran 表示，他们以一种非常受控的方式集结原子，从一种无规则模式开始，决定哪个陷阱需要去哪里，将它们安排到期望的集群中。 随着研究人员开始将能量供给到系统中，原子之间开始相互交互。Lukin称，这些交互让系统具有量子特性。Omran 表示，他们让原子之间相互交互，这才是真正执行计算的时候。从根本上说，随着他们通过激光激发该系统，系统会进行自组织。这并不代表原子必须是1或者0，然而他们可以通过向原子投射光线简单地实现。他们要做的是让原子进行计算，然后再测量结果。 价值 这种系统不仅可用于阐明一系列复杂的量子过程，包括量子机制和材料特性之间关系，还可用于研究物质的新状态，以及解决现实世界复杂的算法优化问题。 研究人员称，系统结合了大尺寸和高度的量子相干性，成为了一项非常重要创新成果。它具有超过50个相干的量子位，也是目前为止通过单独组装和测量创造出的最大量子系统。 Bernien 称，相干量子状态让系统可以像模拟器一样工作，也让机器成为一个非常有价值的工具，加深他们对于复杂量子现象的认识，并且展开有用的运算。这些系统让研究人员加深了对于不同类型量子相位之间转变即“量子相变”的认识。Lukin 表示，它将有利于阐述新奇的物质形式。 他说，通常当你谈到物质的状态，你谈到的物质处于平衡之中。但是物质有一些非常有意思的远离平衡的新状态会发生，而且在量子范畴有许多可能性存在。这完全是新的前沿领域。 Lukin 表示，研究人员已经得到了这些新型量子模拟器诞生，具有51个量子位！状态的证据。在通过新系统进行的其中一个实验中，团队发现相干的非平衡态可以在相当长的时间中保持稳定。他说：
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参考资料 【1】https://news./gazette/story/2017/11/researchers-create-new-type-of-quantum-computer/ 【2】http://news./2017/scientists-demonstrate-one-largest-quantum-simulators-yet-51-atoms-1129 【3】Hannes Bernien, Sylvain Schwartz, Alexander Keesling, Harry Levine, Ahmed Omran, Hannes Pichler, Soonwon Choi, Alexander S. Zibrov, Manuel Endres, Markus Greiner, Vladan Vuletić, Mikhail D. Lukin. Probing many-body dynamics on a 51-atom quantum simulator. Nature, 2017; 551 (7682): 579 DOI: 10.1038/nature24622 |
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