物理学家开发出具有256个量子比特的特殊量子计算机

在量子计算领域取得重大进展的一项成就中，哈佛-麻省理工学院超冷原子中心和其他大学的物理学家团队创建了一种特殊类型的量子计算机。这种系统被称为可编程量子模拟器，它可以使用256个量子比特或“量子比特”进行操作。量子比特是量子计算机运行的基础，它们也是量子计算机处理能力的来源。

这一新发展使我们更接近实现大规模量子机器的目标，这些机器可以让我们深入了解复杂的量子过程。它们还可能对材料科学、通信技术、金融和其他领域产生重大影响，这些领域目前在研究中面临着障碍。

该研究于7月9日在自然杂志上发表。

推动领域发展

米哈伊尔·卢金是哈佛大学物理学乔治·瓦斯默·勒弗雷特教授和哈佛量子计划的共同主任。他也是该研究的高级作者之一。

“这使得该领域进入了一个以前从未到达过的新领域，”卢金说。“我们正在进入量子世界的一个完全新部分。”

塞佩尔·埃巴迪是哈佛大学研究生院的物理学学生，也是该研究的首席作者。

根据埃巴迪的说法，该系统最大的特点是其规模和可编程性，使其成为最好的系统之一。它可以利用物质在极小尺度上的性质，从而提高处理能力。量子比特的增加可以帮助系统存储和处理比经典比特（标准计算机依赖的比特）多得多的信息。

“仅使用256个量子比特就可以实现的量子状态数量超过太阳系中的原子数量，”埃巴迪说。

该模拟器使研究人员能够观察到物质的奇异量子态，并进行量子相变研究，这种研究非常精确，展示了磁性在量子层面的工作原理。

根据研究人员的说法，这些实验可以帮助科学家学习如何设计具有奇异性质的新材料。

新系统

该项目依赖于2017年由研究人员开发的平台，但这次它得到了显著的升级。它过去曾达到51个量子比特的规模，并使研究人员能够通过使用一维个体聚焦激光束阵列捕获超冷铷原子并将其排列在特定顺序中。

该系统允许原子以二维光镊阵列组装，这是激光束的名称。这样可以将可达到的系统规模从51个量子比特增加到256个量子比特。然后，研究人员可以使用光镊将原子排列成无缺陷的图案并创建可编程形状，从而实现量子比特之间的不同相互作用。

“这个新平台的工作马达是一种称为空间光调制器的设备，用于成形光波前以产生数百个个体聚焦光镊束，”埃巴迪说。“这些设备基本上与计算机投影仪中显示图像的设备相同，但我们已将其改装为我们量子模拟器的关键组件。”

原子首先随机加载到光镊中，然后研究人员移动原子并将其排列在目标几何形状中。然后使用一套移动光镊来拖动原子到其所需位置，从而消除了最初的随机性。激光使研究人员能够完全控制原子量子比特的定位和其相干量子操纵。

王涛是哈佛大学物理学的研究助理，也是论文的作者之一。

“我们的工作是全球范围内建造更大更好的量子计算机的激烈、高可见度竞争的一部分，”王说。“除了我们自己的努力之外，顶级学术研究机构和谷歌、IBM、亚马逊等公司都进行了大量的私营部门投资。”

该团队目前正在通过改进激光对量子比特的控制以及使系统更加可编程来改进该系统。根据研究人员的说法，可能的应用包括探测奇异的量子物质形式和解决可以自然编码到量子比特上的现实世界问题。

“这项工作使得大量新的科学方向成为可能，”埃巴迪说。“我们还没有达到这些系统可以做的事情的极限。”