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2023/09/28 成功进行了大规模“量子纠缠”的超高速量子模拟—将超高速量子计算机方法应用于量子模拟器发表要点
图1 .磁性材料超高速量子模拟的概念图 用只发光10皮秒的特殊激光操作以0.5微米间隔排列成格子状的3万原子。 用超高速激光脉冲照射3万个原子的人造晶体后，在短短600皮秒内形成了大规模的“量子纠缠*9”。 (微微=万亿分之一秒) 概要自然科学研究机构分子科学研究所助教素川靖司(研究当时，现东京大学研究生院综合文化研究科副教授)、Vineet Bharti研究员、沟口道荣研究生(研究当时)、大森贤治教授等研究小组将冷却到几乎绝对零度*2的3万个原子以0.5微米的间隔排列成格子状( ) 通过用只发光10皮秒(皮秒= 1兆分之一)的特殊激光进行高精度操作，成功进行了磁性材料的超高速量子模拟(图1 )。 该研究小组将去年率先在世界上实现的全新“超高速量子计算机”方法应用于量子模拟器*1，可以解决迄今为止量子模拟器*1最大担心的外部噪声问题等，这一新的“超高速量子模拟器” 今后，将进行更高级化，期待为功能性材料的设计和社会问题的解决做出贡献。 该成果刊登在代表美国物理学会的旗舰杂志《Physical Review Letters》的在线版上，日期为2023年9月22日。 1.研究背景1-1. 关于量子模拟器*1:量子计算机*5量子模拟器*1量子传感器*6等近年来开发竞争激烈的“量子技术”，是利用电子和原子的“波的性质*11”的本质上新的技术。 为了在功能性、材料、药剂、信息、安全、人工智能等方面掀起一场革命，在世界主要各国的科学技术政策方面进行了巨大的投资。 量子模拟器*1是将固体中的电子为首的多个微观粒子相互作用而出现的复杂行为映射到控制性高的模型物质上进行模拟实验的装置。 就连世界上最快的超级计算机也能在1秒钟内解决10个需要几百次方年的问题，作为在物流和交通堵塞等社会问题的解决和超导材料·磁性材料的开发等方面能够引起破坏性革新的机器备受期待。 另一方面，电子和原子等量子力学粒子产生的量子状态及其操作容易因外部环境和操作激光等产生的噪声而劣化，这使得例如作为“量子技术”之一的量子计算机开发等变得困难。 2022年，自然科学研究机构分子科学研究所教授大森贤治等人的研究小组利用冷却原子实现了仅在6.5纳秒(纳米= 10亿分之一)内工作的超高速2量子位门*4，将传统冷却原子型量子计算机的2量子位门*4一下子加速了2位数 如果能将超高速双量子位门的方法应用于量子模拟的话，就可以一下子解决迄今为止最大的担忧——噪声问题，并有望实现可靠性高、创新性的量子模拟器*1。 2.研究成果2-1.成果摘要:研究小组将冷却到几乎绝对零度*2的3万个原子以0.5微米间隔排列成格子状(图1 )，用只发光10皮秒(皮秒= 1兆分之一)的特殊激光进行高精度操作，进行磁性材料的超高速量子模拟，进行量子力学上的 9 (去年的诺贝尔物理学奖)”的形成过程，用世界上最快的600皮秒模拟成功了。 超高速量子模拟器是该研究小组去年率先在世界上实现的“通过超高速激光回避吕德·贝里伍德*8”这一全新的超高速量子计算机方法，应用于量子模拟器*1。 要实现可靠的量子模拟，关键是克服噪声，高速、高精度地进行。 此次实现的世界最快的量子模拟，将以往的模拟速度加速了3个数量级，比噪声快1000倍以上，因此可以忽略噪声的影响。 构成物质的原子和电子等量子力学粒子中出现的特有的相关“量子纠缠*9”，虽然被认为在大规模的系统和实际材料中非常难以测量，但这是理解“量子”世界不可或缺的概念。 通过超高速模拟大规模“量子纠缠*9”的形成的此次成果，可以期待在接近未来实用水平的大规模系统中理解量子计算机量子网络中不可缺少的资源“量子纠缠”，为量子技术的发展做出贡献。 另外，通过对磁性材料的量子模拟，今后将进一步了解磁性等物质物理性质的起源，期待对利用量子力学效应显示出飞跃功能的新一代器件和功能性材料的设计提供指导方针。 2-2.实验方法(图1 ) :实验使用铷原子*12进行。 首先，使用激光的特殊冷却方法*13将3万个气体铷原子冷却到绝对温度1开尔文的1000万分之一以下的超低温，用被称为光格子*3的排列成格子状的光阱列以0.5微米间隔排列制作了人工晶体。 然后，照射了100亿分之一秒发光的超短脉冲激光，将被困在原子5s轨道中的电子轰击到巨大的35d电子轨道(吕德贝里轨道*7)上，观察了会发生什么样的变化。 于是，通过远离的原子之间作用的巨大相互作用，观测到了量子力学粒子特有的相关“量子纠缠*9”以数百皮秒的比例(皮科= 1兆分之一)形成的情况。 今后的展开.这项研究的社会意义此次，在冷却原子型硬件上达成的磁性材料的超高速量子模拟，这是世界上首次通过用超高速激光操作冷却到几乎绝对零度*2的3万个原子排列的分子研独自的方式实现的，证明了超高速量子模拟器是划时代的平台。今后，期待通过将研究小组新开发的创新性超高速量子模拟器进一步高级化，阐明磁性等物质的物理性质的起源，提供显示飞跃功能的量子材料(利用量子力学效果的新一代器件和功能性材料)的设计指南，对材料开发进行革新 另外，通过使用与未来实用水平相近的大规模系统来理解量子计算机量子网络中不可缺少的资源“量子纠缠”，可以期待为量子技术的发展做出贡献。 并且，利用量子力学的效果模拟用电脑也难以解决的社会问题，作为解决物流、交通堵塞、电力运输等社会课题的工具也有望得到发展。 4.用语解说*1量子模拟器 专门模拟相互作用的多个微观粒子(例如固体中的电子等)的量子计算机*5。 代替使用超级计算机等经典计算机进行计算，使用原子等量子力学*1的粒子组装控制性高的人工模型物质，通过在那里的模拟实验来理解多个微观粒子的集体性质的新概念。 就连世界上最快的超级计算机也能在1秒钟内解决10个需要几百次方年的问题，作为开发超导材料、磁性材料、解决物流、交通堵塞等社会问题的具有破坏性创新的机器备受期待。 *2绝对零度 使原子分子运动停止的状态为0度的温度称为绝对温度。 单位是开尔文。 零开尔文叫做绝对零度。 绝对温度0开尔文为摄氏-273.15℃，摄氏0℃为绝对温度+273.15开尔文。 *3光栅 利用由相对的激光干涉产生的光的驻波，周期性排列了捕捉超低温原子的光阱。 本研究通过从6个方向使激光相对，以0.5微米的间隔将3万个原子排列成三维正方格子状。 * 4双量子位门 操作两个量子位量子态的运算。 2量子位门电路在2个量子位之间产生量子纠缠*9，它是量子计算机高速性的源泉。 *5量子计算机 将量子力学波的性质*11应用于信息处理的计算机。 对于原子等量子力学粒子的集团，通过个别粒子的状态操作和多个粒子之间进行逻辑运算来进行信息处理。 通过使用同时取不同状态的“量子叠加*10”这一波的性质*11，可以进行超并行计算，期待在普通计算机中可以瞬间进行需要非常长时间的计算。 *6量子传感器 利用原子和电子等微观物质和光的量子力学性质*2测量物理量的装置。 有望实现比以往的测量装置更高灵敏度的测量。 *7吕德贝里轨道 远离原子核的电子轨道。 原子核到吕德贝里轨道的距离从纳米到微米。 在吕德贝里轨道上运动的电子称为吕德贝里电子，带吕德贝里电子的原子称为吕德贝里原子。 *8吕德贝里伍德 在吕德贝里轨道*7上激光激发2个接近原子中的电子时，同时激发受到强烈抑制，只有某一个原子中的电子在吕德贝里轨道*7上被激发的现象。 起因于吕德贝里原子之间作用的长距离相互作用。 *9量子纠缠 当存在量子叠加*10时，在两个量子系统的状态之间产生的特殊相关。 如果在两个量化比特之间存在量化纠缠，则一个量化比特的状态(“0”或“1”)取决于另一个量化比特的状态(“0”或“1”)，不能仅确定一个量化比特的状态，而不考虑它们的状态。 使多个量化位之间相互关联的此量子纠缠被认为是量子计算机*4的高速性的源泉之一。 2022年，3位利用光子进行了明确“量子纠缠”存在的研究的人被授予了诺贝尔物理学奖。 *10量子叠加 可以同时取得多个不同状态的量子力学特有的性质。 在普通的经典计算机中，作为信息单位的比特在某一瞬间处于“0”或“1”中的一种状态。 然而，量子计算机*5的量子位(例如，量子力学粒子，例如原子)可以同时具有“0”和“1”两种状态。 另外，两种状态的重叠方法也有各种各样的方法。 如果将量子状态捕捉为波，则由"0"和"1"构成的状态也不同，例如两个波的峰对齐地重叠的状态: "0”+“1"状态、两个波的峰和谷对齐的重叠状态:“0”-“1”状态，如由“0”和“1”构成的状态，也存在不同的重叠状态。*11波的性质 电子和原子等微观粒子具有足球等我们身边看得见的粒子所没有的波浪性质。 波与粒子不同，可以不重叠，也可以同时存在于空间上的广阔范围内。 因此，电子和原子等微观粒子具有我们看不见的粒子所没有的不可思议的性质，比如可以同时取得不同的状态，也可以同时存在于其他地方等。 *12铷原子 碱金属原子之一，原子编号37的原子。 原子核周围电子堵塞的电子轨道中，最外侧的5s轨道上有一个电子。 *13使用激光的特殊冷却方法 利用激光消除气体原子所具有的能量，冷却原子温度的技术叫做激光冷却。 原子在吸收激光时接收激光所具有的动量，相对于激光的前进方向受到力。 原子面向激光前进时，由于其力，原子逐渐减速，原子所具有的能量下降。 由此，可以将原子集团冷却到绝对温度1开尔文*1的十万分之一左右。 另外，通过从这里蒸发温度高的原子，可以冷却到千万分之一开尔文以下的超低温。 论文信息刊登杂志: Physical Review Letters
论文标题:“picosecond-scale ultra fast many-body dynamics in an ultra cold Rydberg-excited atomic Mott insulator”(和译:“吕德贝里激励
作者: V. Bharti，S. Sugawa，M. Mizoguchi，M. Kunimi，Y. Zhang，S. de Léséleuc，T. Tomita，T. Franz，m.weidemüllled m
刊登日期: 2023年9月22日(网上公开)DOI：https:///10.1103/PhysRevLett.131.123201 研究小组自然科学研究机构分子科学研究所 综合研究研究生院大学 Universität Heidelberg，Germany Shanxi University，China 研究支持本研究在以下支持下进行。 文部科学省光量子飞跃旗舰计划( Q-LEAP ) JPMXS0118069021 科学技术振兴机构月摄型研究开发事业 研发计划:月影目标6“到6「2050年，实现经济产业安全保障跨越式发展的容错型通用量子计算机”(计划总监:北川胜浩) 研发项目:“大规模高相干动态原子阵列容错量子计算机”( JPMJMS2269 ) 项目经理:大森贤治自然科学研究机构分子科学研究所研究主干/教授 日本学术振兴会科研费 研究项目:“特别推进研究” 研究编号:“16H06289” 研究课题名称:“使用阿特秒精度的超高速相干控制的量子多体动力学的探索” 研究代表人:(自然科学研究机构分子科学研究所大森贤治研究主干/教授) 研究期间:平成28年4月~令和3年3月 德国亚历山大·冯·博尔特基金会及德国海德堡大学 “洪堡研究奖” 日本学术振兴会科研费 研究项目:“基础研究b” 研究编号:“21H01021” 研究课题名称:“使用强相关吕德贝里原子的非平衡量子开放系统的量子模拟” 研究代表人:(东京大学研究生院综合文化研究科素川靖司副教授) 研究期间:令和3年4月~令和6年3月 日本学术振兴会科研费 研究项目:“年轻人研究” 研究编号:“20K14389” 研究课题名称:“在Rydberg原子系统中实现的高维、高自旋系统中的非平衡动力学的研究” 研究代表人:(东京理科大学国见昌哉助教) 研究期间:令和2年4月~令和5年3月 咨询处大森贤治 自然科学研究机构分子科学研究所光分子科学研究领域研究主干/教授 邮编〒444-8585爱知县冈崎市明大寺町字西乡中38号 tel:0564-55-7361传真: 0564-54-2254 e-mail:oh mori _ at _ IMS.AC.jp ( _ at _请转换为@ )。 ） |
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