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大突破!哈佛-麻省理工團隊開發256個量子比特模擬器

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科技產業資訊室 (iKnow) - May 發表於 2021年7月12日

圖、哈佛-麻省理工量子計算機取得突破 開發256個量子比特模擬器

來自哈佛大學-麻省理工學院超冷原子中心和其他大學的物理學家團隊,開發了一種特殊類型的量子計算機(quantum computer),被稱為可編程量子模擬器(programmable quantum simulator),具有 256 個量子比特(Qubits)或“量子位元”運行能力。該研究 2021 年 7 月 7 日發表在《自然》雜誌。

該系統標誌著向建造大規模量子機器邁出了一大步,可用於闡明一系列複雜的量子過程,並最終幫助在材料科學、通信技術、金融和許多其他領域帶來現實世界的突破,克服當今甚至是最快的超級計算機都無法做到的研究障礙。

該研究的主要作者 Sepehr Ebadi 稱,正是該系統以前所未有的尺寸和可編程性的結合,使其處於量子計算機競賽的前沿,量子計算機利用物質在極小尺度上的神秘特性,大大提升了處理能力。僅用 256 個量子比特就能實現的量子狀態數量、超過了太陽系中的原子數量,目前,該模擬器已經使研究人員能夠觀察到以前從未在實驗中實現的幾種奇異的物質量子態,並進行了一項量子相變研究,其精確程度可作為磁學在量子水準上的教科書實例。這些實驗提供了關於材料特性背後的量子物理學的強有力的見解,並可以幫助科學家展示如何設計具有奇異特性的新材料。

該項目使用研究人員在 2017 年開發的一個平台的顯著升級版,該平台能夠達到51個量子比特的規模。那個舊系統允許研究人員捕捉超冷的銣原子,並使用稱為光學鑷子的單獨聚焦雷射光束的一維陣列,將它們按特定順序排列。

這個新系統允許原子在光學鑷子的二維陣列中被組裝起來。這將可實現的系統規模從 51 個增加到 256 個量子比特。通過使用光學鑷子,研究人員可以將原子安排在無缺陷的模式中,並創造出可編程的形狀,如方形、蜂窩狀或三角形格子,以設計量子比特之間的不同相互作用。

該研究宣稱,新平台的主力是一個叫做空間光調製器(spatial light modulator)的設備,它被用來塑造一個光學波前(optical wavefront),以產生數百個單獨聚焦的光學鑷子光束(optical tweezer beams)。並認為,這些設備本質上與電腦投影儀內用於在屏幕上顯示圖像的設備相同,但對它們進行了調整,使之成為他們的量子模擬器的一個關鍵組成部分。

最初,原子裝入光學鑷子的過程是隨機的,研究人員必須移動原子,將它們排列到目標幾何形狀。研究人員使用第二組移動的光學鑷子將原子拖到它們所需的位置,消除了最初的隨機性。雷射光使研究人員能夠完全控制原子量子比特的定位及其相干的量子操縱(coherent quantum manipulation)。(721字;圖1)


參考資料:
Harvard-led physicists take big step in race to quantum computing. Harvard Gazette, 2021/7/7.
Quantum phases of matter on a 256-atom programmable quantum simulator. Nature, 2021/7/7.


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