51量子比特模拟器问世，大规模量子计算机迈出重要一步

　　通常来说，进行计算机编程已经是一项相当费力的工作，代码除了需要数小时的编写外，还需要对其进行调试、测试以及详情记录，来确保它能正常工作。不过事实上，与麻省理工-哈佛超冷原子中心和加州理工学院的物理学家组成的研究团队正做的工作相比，其难度就变得微乎其微了。

　　最近，哈佛大学 Mikhail Lukin，Markus Greiner 教授领导的研究团队与麻省理工的 Vladan Vuletic 教授共同开发了一种特殊的量子计算机——量子模拟器。这一量子模拟器由激光捕获的超冷铷原子所编码，将这些冷原子以特定的顺序进行排列，就能实现一些必要的量子计算。

　　图 | 哈佛大学物理学教授 Markus Greiner(左)与 Mikhail Lukin(右)开发了 51 量子比特的量子模拟器

　　该模拟器系统可用于揭示一系列复杂的量子过程，包括量子力学和材料性质之间的联系以及物质的新相态。同时，它也将有助解决现实世界中复杂的优化问题。目前，该系统的详细研究结果已发表在 11 月 30 日的《自然》杂志上。

　　这个系统是迄今为止最大的量子系统之一，有超过 50 个相干量子比特包含其中。研究者说到，该模拟器的最大成功就在于其有效结合了大尺度系统与高维度的量子相干性。

　　另外，在同一期《自然》杂志上，马里兰大学联合量子研究所的一个小组也描述了一个相似大小的用激光控制的冷极化离子系统。总的看来，这些互补的研究进展都将成为迈向大规模量子计算机的重要一步。

　　“所有的事情都发生在一个小小的真空室里，里面非常稀薄的原子蒸汽可被冷却到接近绝对零度”，Lukin 说到，“当 100 束左右的激光穿过蒸汽云时，每一束激光都充当着一个势阱。这些光束是如此的紧密地聚焦在一起，以致它们最多只能捕获到一个原子。而研究乐趣也从此开始。”

　　图 | 量子模拟器中用于捕获原子的激光器

　　研究人员利用显微镜可实时采集被捕获原子所构成的图像，然后根据所需要输入的模式将它们进行特定排列。

　　Lukin 教授实验室的博士后，论文的共同作者 Ahmed Omran 说到：“我们用一种非常可控的方式来排列组合这些原子。从一个随机的模式开始，然后通过变换势阱的位置就能使得原子被排列到所需要的特定集群中去。”

　　而当研究人员开始向系统中注入能量时，原子间就开始相互作用。Lukin 解释到，这些相互作用能给系统赋予量子特性。

　　“真正意义上来讲，只有原子相互作用了，才能认为是开始执行计算了”，Omran 说到，“本质上说，当我们用激光激发系统时，系统原子就会做出相对应的自适应行为。不过这种自适应并非简单的用激光在某处捕获 1 个或 0 个原子，而是利用这种原子自适应进行相关计算，最后我们再对结果进行测量。”

　　Lukin 和他的同事们表示，这些测量结果可以解释那些传统的计算机几乎不可能进行建模的复杂量子力学现象。

　　“为什么你已经有一个抽象的模型，也知道其中有一定数量的粒子进行着某些相互作用，但你还是不能坐在电脑前进行模拟呢?”论文的共同作者 Alexander Keesling 抛出问题并解释到，“问题的关键在于这些相互作用是量子的，如果系统尺寸过大的话，传统计算机的内存和计算能力将很快耗尽，也就无法实现计算模拟。因而在传统计算机上模拟的话，就必须要把系统限制在很小的尺寸，因此带来的不足是系统的许多参量将被限制。而我们解决这个问题的方法是，直接用所需模拟的系统的物理规则来重新构建粒子问题。而这就是为什么我们称其为量子模拟器的原因所在。”

　　尽管传统计算机技术可以模拟小型量子系统，但其仍旧不大可能模拟像量子模拟器这样的包含 51 个量子比特的系统。

　　Keesling 补充到:“对于较大系统的模拟，我们没有可进行比较的简单参考。因而让我们的模拟器先进行小系统模拟来验证结果的正确性也是相当重要。”

　　Lukin 实验室的博士后，论文的另一位作者 Hannes Bernien 说到:“一开始所有的原子都处于经典的状态，而最后我们读取到的也是一连串由 0 和 1 构成的经典比特。但原子的经历的中间过程其实是复杂的量子态。如果存在一个很大的错误率的话，量子态就会塌缩到一个经典状态。”

　　Bernien 解释到：“量子相干态是原子系统可作为一个模拟器的关键，让模拟器成为一个颇具价值的计算工具，实现对复杂量子现象进行洞察和揭示并执行最终有用的相关运算。另外，利用这个系统，研究者对于不同类型的量子相转变问题(量子相变)也获得了一些独特的见解。”

　　Lukin 谈到：“这一系统或许有助于揭示一些新的、奇特的物质形态。通常，对于物质的状态，我们一般会谈平衡态，但是一些非常有趣的新的物质状态可能会远离平衡态，并且这在量子领域确实有相当大的可能性存在。而这将是一个全新的研究领域。”

　　Lukin 表示，研究人员已经发现了这些新物质态的存在的证据。在对新系统进行的第一次实验中，研究小组发现了一个相干的非平衡状态，并且能在很长一段时间内保持稳定。

　　Lukin 认为，未来几年，量子计算机将被用来认识和研究这些物质的非平衡态。而另一个有趣的研究方向将涉及的是解决复杂的优化问题。

　　事实证明，通过编程原子位置和它们之间的交互，可以实现对一些非常复杂的问题进行编码。在这样的系统中，一些量子算法相比经典计算或许具有更好的表现，不过现在还不清楚是否真如所愿，因为我们目前还无法用经典的方法来测试他们。

　　但是，量子计算的全新领域即将到来，到时我们就可以利用真正意义上的包含 100 多个量子比特的的量子计算机来对其进行测试。从科学角度来说，这将是振奋人心的。

　　这项研究的其他合著者包括：访问科学家 Sylvain Schwartz，哈佛大学研究生 Harry Levine 与 Soonwon Choi，研究助理 Alexander S. Zibrov 和 Manuel Endres 教授。研究得到了美国国家科学基金会、超冷原子研究中心、陆军研究办公室以及 Vannevar Bush 教员奖学金的资助。