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麻省理工学院和哈佛大学的物理学家们已经展示了一种处理物质量子位的新方法。在“自然”杂志上发表的一篇论文中，他们用一个精细调谐的激光系统来报告，首先捕捉并调整51个单个原子或量子比特的相互作用。 该小组的结果代表了量子比特最大的阵列之一，被称为量子比特，科学家们可以单独控制。在同样的“自然”杂志上，马里兰大学的一个研究小组报告了一个类似大小的系统，它使用被捕获的离子作为量子比特。 在麻省理工学院 - 哈佛大学的方法中，研究人员生成了一个由51个原子构成的链，并对它们进行编程，使其经历一个量子相变，其中链中的每个其他原子都被激发。该图案类似于称为反铁磁体的磁性状态，其中每个其他原子或分子的自旋都对齐。 该团队将51原子阵列描述为不是一个普通的量子计算机，理论上它应该能够解决对其造成的任何计算问题，而是一个“量子模拟器” - 一个量子位系统，可以被设计为模拟一个特定的问题或解决一个特定的方程，比最快的传统计算机快得多。 研究报告的共同作者VladanVuletić说：“这个问题对于一台经典的计算机来说是指数级的困难，这意味着它可以为一定数量的城市解决这个问题，但是如果我想增加更多的城市，它将变得非常迅速，麻省理工学院的Lester Wolfe物理学教授。“对于这样的问题，你不需要一台量子计算机。模拟器足以模拟正确的系统。所以我们认为这些优化算法是最直接的任务。“ 这项工作是与哈佛大学教授Mikhail Lukin和Markus Greiner合作完成的，麻省理工学院访问科学家Sylvain Schwartz也是合着者。 分开但互动 量子计算机在很大程度上是理论上的设备，可能会在世界上最强大的经典计算机所花费的时间的一小部分时间内进行非常复杂的计算。他们可以通过量子比特这样做 - 数据处理单元不像经典计算机的二进制比特，可以同时处于0和1的位置。这种叠加的量子性质允许单个量子位同时执行两个独立的计算流。向系统添加额外的量子比特可以指数地加速计算机的计算。 但是主要的障碍阻止了科学家们实现一个完全可操作的量子计算机。一个这样的挑战：如何让qubit互相交流而不与周围环境接触。 电子研究实验室和麻省理工学院 - 哈佛超冷原子中心的成员Vuletić说：“我们知道，当它们与环境相互作用时，事物变得非常容易，所以你需要超级孤立。另一方面，他们需要与另一个量子位进行强烈的互动。“ 一些小组正在用离子或带电荷的原子构建量子系统作为量子比特。他们利用电场来捕获或隔离环境中的其他部分的离子;一旦被困，离子之间强烈的相互作用。但是这些相互作用中的许多强烈地排斥，像具有相似取向的磁体，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比特 - 人造原子被制造成以量子方式运作。但Vuletić说这种制造的量子比起那些基于实际原子的量子来说是有缺点的。 Vuletić说：“按照定义，每个原子与同一物种的每一个原子都是一样的。“但是当你手工制作它们的时候，就会产生制造上的影响，例如稍微不同的转换频率，耦合等等。” 设置陷阱 Vuletić和他的同事提出了第三种建立量子系统的方法，用中性原子 - 不带电荷的原子 - 作为量子位。与离子不同，中性原子不会相互排斥，而且与制造的超导量子比特不同，它们本质上具有相同的性质。 在以前的工作中，该团队设计了一种方法来捕捉单个原子，通过使用激光束首先冷却铷原子云接近绝对零度的温度，使其运动减速至接近停顿状态。然后，他们使用第二台激光器，将其分成100多个光束，以捕获并保持各个原子。他们能够对云进行成像，以查看哪些激光束已经捕获了一个原子，并且可以关闭某些光束以丢弃没有原子的陷阱。然后他们用原子重新排列所有的陷阱，创建一个有序的，无缺陷的量子比特阵列。 利用这种技术，研究人员已经能够建立51个原子的量子链，全部被困在基态或最低能级。 在他们的新论文中，团队报告更进一步，控制这51个被困原子的相互作用，这是操纵单个量子位的必要步骤。要做到这一点，他们暂时关闭了最初困住原子的激光频率，让量子系统自然而然地发展。 然后他们把进化的量子系统暴露在第三束激光束中，试图激发原子进入所谓的里德堡状态，在这种状态下，一个原子的电子被激发到一个非常高的能量，与原子的其余部分相比电子。最后，他们将原子俘获激光束转回来检测单个原子的最终状态。 Vuletić说：“如果所有的原子都是从基态开始的，那么当我们试图把所有的原子都置于这个激发态时，就会出现这样的状态：每个原子都被激发出来。所以原子使量子相变成类似于反铁磁体的东西。“ 由于里德堡态中的原子彼此之间相互作用强烈，所以过渡只发生在其他所有原子中，并且要激发里德堡态的两个相邻原子比激光能提供更多的能量。 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或颜色来改变原子之间的相互作用。更重要的是，该系统可以很容易地扩展。 Vuletić说：“我们认为我们可以把它扩展到几百个。“如果你想用这个系统作为一个量子计算机，它会变得有趣的100个原子的数量级，这取决于你试图模拟的系统。 目前，研究人员正在计划将51原子系统作为一个量子模拟器进行测试，具体而言，就是可以使用绝热量子计算来解决的路径规划优化问题。量子计算是由Edward Farhi，Cecil和Ida首先提出的一种量子计算麻省理工学院物理学教授。 绝热量子计算提出，量子系统的基态描述了解决问题的兴趣。当系统可以演化出现问题本身时，系统的最终状态可以确定解决方案。 “你可以从一个简单而已知的能量最低的状态开始，例如所有原子处于基态，然后缓慢地变形以代表你想解决的问题，例如旅行商问题，”Vuletić说。“这是系统中一些参数的缓慢变化，这正是我们在这个实验中做的。所以我们的系统是面向这些绝热量子计算问题的。“ 这项研究部分得到了国家科学基金会，陆军研究室和空军科学研究办公室的支持。 |
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