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量子模拟器飞跃向前

发布:opticsphotonics阅读:1609时间:2017-12-21 13:01:03

为了构建完备的通用量子计算机,解决当今传统机器无法实现的难题,所谓的量子模拟器的创造提供了一个诱人的临时目标方向。这些模拟器被设计成不可任意编程的, 而是用来模拟传统计算算法无法轻易复制的特定的量子系统。一次足够大的模拟将显示出量子计算的潜在能力,并且也许能提供一个转向通用量子机器的平台。


 

在马里兰大学/联合量子研究所的研究工作中, 激光控制了一组超过50个被捕获的离子来研究量子磁性的动力学。[图片:E. Edwards/联合量子研究所]

在2017年11月底, 两个美国研究小组宣布了这类量子模拟的一个重大进步。利用被捕获的原子或离子的不同系统,这两个研究小组能够限制和操纵超过50个单独相互作用的量子比特或量子位,并且用它们来模拟物理结构,而不是用经典计算机来处理。(Nature, doi: 10.1038/nature24622, 10.1038/nature24654)。位于美国、新加坡和希腊的第三个研究小组在一个非常不同的超导电路平台上使用九个量子比特进行了单独的量子模拟,其中的量子芯片来自谷歌(Science, doi:10.1126/science.aao1401)。

目前没有一个系统是完全成型的量子计算机。但是其中的一些可以被配置来解决在各种领域出现的特定难度优化问题,以及量子物理学中的其他问题。而且,通过附加的工程来扩大量子比特和激光器、控制系统和管理它们的电路数量,模拟器可以越来越接近全面的量子计算机。

“神奇的数字”

在这三项研究中,考虑到状态空间的大小,即量子位的数量以及可能的配置,这两个涉及到被捕获的原子系统的研究显得尤为重要。根据马里兰大学和联合量子研究所(JQI)的Christopher Monroe的说法,“五十是一个神奇的数字,因为达到这个数字” 利用经典算法“就开始变得不可计算了”。Christopher Monroe还是这项离子捕获研究的负责人。“所以现在每个人都在瞄准那个数字。”

Christopher Monroe[图片:马里兰大学]

Monroe的研究小组在一个真空室中使用了一个有53个独立镱离子的系统,将它们套在一起并使用Paul阱(一个射频陷波器,将离子排列在一个链中,离子之间的距离介于一微米和半微米之间)。然后研究人员使用激光将离子推进到相同的初始自旋状态,接着是第二组激光器的“量子猝灭”,以对系统的哈密顿量或能量状态施加突然的变化。

淬火的系统随后被允许向平衡方向发展。在该演变之后,通过用共振辐射照射离子并使用相机捕获由此产生的自旋相关荧光来测量自旋磁化。结果:在“传统统计力学不适用的方式”中,模拟了53对成对相互作用磁偶极子的非平衡动力学。

里德堡原子

哈佛大学和麻省理工学院的研究人员报道说,使用精细调谐的激光来捕捉和调整51个独立原子或量子比特的相互作用。[图片:Christine Daniloff/麻省理工学院]

在另外一组实验中,美国哈佛大学和麻省理工学院(MIT)的研究人员在OSA研究员Mikhail Lukin及其哈佛大学的同事Markus Greiner以及麻省理工学院的OSA成员VladanVuleti?的领导下建立了一个量子模拟器,其由中性原子而不是离子构成。

该团队使用101个均匀间隔的光镊线性阵列,光腰约0.9微米,为51个独立的激光冷却中性87Rb原子创造陷阱。与JQI的离子阱实验不同,后者依靠离子的固有电荷为量子相互作用创造偶极矩,而哈佛大学/麻省理工学院的研究小组利用激光激发了阵列中的选定原子,使之到高度激发的里德堡状态。

Vuleti?解释说,这个实验从基态原子开始。这形成了模拟器的输入。此时陷阱被关闭,系统被允许发展,用激光绝热地激发阵列中的特定原子,并且“缓慢地开启反铁磁耦合”,即新的基态,其中自旋对准的单个原子交替而不指向相同的方向。陷阱重新开启,原子荧光成像捕获原子的最终状态。因此,系统能够在一个涉及251个可能结构的状态空间内,模拟从一个基态到另一个非平凡(反铁磁)的复杂的相变。

力量的多样性

谷歌、UCSB、新加坡国立大学和克里特科技大学的研究人员利用九个超导量子比特,模拟了霍夫斯塔德蝴蝶在磁场中对二维电子预测的复杂能量谱。[图片:Visual Science/谷歌]

第三个实验,来自谷歌和美国加州大学圣塔芭芭拉分校、新加坡国立大学、希腊克里特理工大学的研究人员,在以前由谷歌设计的芯片上通过九个量子比特,使用超导电路来模拟“霍夫斯塔德蝴蝶”在磁场中对两个电子的预测能谱。

JQI的Monroe指出,超导电路系统具有一些优势,特别是量子比特之间的相互作用往往比原子系统快得多,并且系统在原理上可以利用现有的硅芯片基础。但是超导系统中的量子比特是人造的,因此要使它们彼此相同就更难了:量子计算系统的硬性需求已经准备就绪,系统中使用了被捕获的原子或离子的集合。当然,具体的实验所涉及的状态空间要比50量子比特以上的JQI和哈佛/麻省理工学院的实验小得多。

尽管如此,在Monroe看来,在量子计算发展的当前,方法的多样性是一种力量,而不是一个弱点。“我认为有一个团队实际上是非常重要的,在此人们正在建设他们的系统,但在不同的领域遇到了瓶颈,”他说。“随着时间的推移,这两个硬件将继续发展。”

优化问题

Vladan Vuleti?.[图片:麻省理工学院]

在短期内, Vuleti?强调, 像哈佛/麻省理工学院的模型这样的量子模拟器本身是有用的: 尽管他解释说, 这种系统可以通过改变最终状态的哈密顿量来模拟, 从而有可能解决特定类的各种难题。

例如,哈佛/麻省理工学院模拟器的一个目标可能是各种类型的优化问题,例如所谓的旅行推销员问题,涉及寻找访问城市列表的最短路径。随着城市的增加,这个问题就成了一个难以解决的问题,而且可能会迅速超过传统的计算能力。从DNA测序到绘图,再到优化电路板上焊点的效率等方面,这也是一个有许多实际变化的问题。

走向通用量子计算?

不过, 从更大的意义上说, 模拟结果将不可避免地引发有关这些系统如何演变成通用量子计算机的问题, 这些计算机最近激起了越来越多的讨论、推测和 (也许) 炒作。

下一步是找到将系统扩展到几百个比特的方法;另一个是确定量子计算机实际上擅长哪类问题。在 Vuleti?的看来, 量子计算的现状是 "非常类似于 (传统的) 计算机第一次出现的时候。人们并不想‘在每个家庭中都有一台笔记本电脑。’他们在想, 我们可以用它们来解决什么问题?”

对于他来说,JQI的Monroe看到了将他的团队的离子捕获模拟器扩展到更强大、可编程的通用机器的巨大潜力。“对我来说,使这种相互作用发生的物理学与量子计算的物理学完全相同,这非常有趣,”他说。实际上,Monroe的一个计划是他合作创立的一家创业公司IonQ,该公司正在努力解决涉及实现“可以被真实的人使用”的量子计算机的工程、软件和商业模式问题。“我们有确定的扩大计划,”他说。

然而他们所谓的量子计算机,尤其是建立在捕获离子或陷阱原子技术上,看起来与你工作桌上的经典计算机有很大的不同。新机器可能包含高度集成化的激光器阵列、透镜、反射镜和其他光学元件。“量子计算的原理与传统计算的原理截然不同,”Monroe在与他的团队发布的新闻稿中指出。“没有理由期望这两种技术看起来都是一样的。”

来源: https://www.osa-opn.org/home/newsroom/2017/december/quantum_simulators_leap_ahead/

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