破纪录的 53 量子位量子模拟器发布

马里兰大学和国家标准与技术研究所的物理学家使用 53 个相互作用的原子量子位来模拟磁性量子物质，创下了新记录。这是迄今为止对单个量子位进行高效单次测量的最大量子模拟。

他们使用了多达 53 个镱离子，这些镱离子是被锋利的镀金电极捕获的变化原子。麻省理工学院和哈佛大学科学家开发的补充系统使用由激光束限制的 51 个铷原子。这个实验平台可以扩展到解决远远超出最快的现代超级计算机极限的量子难题（例如伊辛采样）。

较少数量的捕获离子量子位的模拟已经得到证实，现在通过对自旋之间的相互作用进行更高水平的控制，该系统可以升级为通用量子计算机。

所有离子量子位都是稳定的原子钟，可以轻松复制。外部激光束用于将它们有效地连接在一起，这意味着可以在不干扰内部设置的情况下重新配置同一设备。这样做是为了适应未来出现的任何类型的量子计算应用程序。让我们看看他们实际开发了什么以及它有何好处。

量子系统很难在实验室中研究，几乎不可能使用超级计算机进行建模，这就是为什么我们使用量子模拟器来研究量子计算的模式和特征。它们是专门为提供某些物理问题的详细信息而开发的。

模拟多粒子量子系统的技术在传统计算机上需要指数时间。然而，我们可以通过量子计算机使用与原始系统中粒子数量相似的多个量子比特来模拟它。这已扩展到广泛的量子系统类别。

迄今为止，量子模拟器已在捕获离子、超导电路、超冷量子气体和光子系统等众多平台上实现。

现代超级计算机无法处理超过 20 个相互作用的量子物体。这就是量子磁性的情况，其中相互作用可能导致量子尺度的磁排列。

量子问题通常很困难，因为每个磁体都会与系统中的所有其他磁体相互作用。物理学家开发的模拟器有 53 个相互作用的量子磁体，使得千万亿个磁体配置成为可能。每增加一个磁铁，这个数字就会翻倍。

它是一种受限类型的量子计算机，使用量子位来模拟复杂的量子物质。量子位可以被隔离，并且它们可以同时处于两种或多种状态。它们有多种形式，构建量子位的首选是原子，它是所有物质的通用构建块。在过去几年中，物理学家在小规模量子模拟中控制多达 20 个量子位方面取得了巨大成功。

为了保护设备的量子特性，量子位必须与环境保持隔离。随着每个量子位的增加，保护变得更加困难，特别是如果它们从一开始就不相同，就像在制造的电路中一样。这是原子成为量子位首选的主要原因之一。与制造的电路相比，有了原子，量子机器就可以很容易地按比例放大。

与今天的计算机不同，原子量子位存储在室温下的真空室内，这使其压力与外层空间非常相似。量子位的隔离使物理学家能够使用特殊的激光器、镜子、光纤、透镜和电路精确控制原子量子位。
目前，大多数科技巨头公司、大学甚至初创公司都在专注于开发可以控制大量量子比特的量子机器原型。

所有原子量子位都具有相同的电荷，因此它们彼此排斥。当它们彼此推开时，定制的电场迫使它们重新聚在一起。这两种力相互平衡，使离子保持在一条线上。科学家利用固有的斥力产生离子间的相互作用，这对于模拟相互作用的量子物质至关重要。

激光脉冲控制所有量子位并命令它们进入相同状态以开始量子模拟。然后，另一组激光束与原子量子位相互作用，使它们像微型磁铁一样发挥作用。现在，量子位可以指向随机方向，从而导致没有磁化，或者将它们的磁极与其邻居对齐以创建铁磁体。科学家可以改变光束的强度并分析在多种激光条件下哪个相位更胜一筹。

参考资料：马里兰大学 |自然 | DOI:10.1038/nature24654

整个模拟只需几毫秒即可完成。通过多次重复这个过程并分析不同点的最终状态，科学家可以观察这个过程从开始到结束的整个过程。这将有助于理解量子位磁铁如何根据不同的阶段进行组织。

艺术家绘制激光操纵原子量子比特|图片来源：E. Edwards/JQI

研究团队采用范围和强度可控的长程相互作用，以约99%的效率计算每个量子位，这意味着可以一次性计算出量子位之间的许多体相关性，从而允许动态相变直接探测并揭示依赖于量子位之间的高连通性和长程相互作用的棘手特征。

虽然模拟器适合探测磁性物质，但不同类型的计算需要具有可编程交互的更通用的量子机才能有效执行。

这些类型的量子模拟器将帮助科学家实现量子电路，并最终将多个离子链量子连接在一起，开发出具有广泛应用的完整量子计算机。

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研究团队声称，很快他们将能够控制多达 100 个或更多的离子量子位。届时，他们有可能探索材料设计和量子化学中更困难的问题。另一方面，D-Wave 声称可以在芯片上生产 2,000 个量子位。

相比之下，英特尔、谷歌和 IBM 采用超导电子电路来构建自己的量子计算机。

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