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哈佛联合MIT实现256个量子比特模拟器

  

      目前,最新可编程量子系统已能达到含有五十多个被俘获离子的离子阱系统或超导量子比特。另外,76 个光子的高斯波色采样已被用来实现量子霸权执行玻色子采样,具有数百个原子的光学晶格正被用于探索哈伯德模型,更大尺度的伊辛自旋系统已经被基于超导量子比特的量子计算机模拟。但它们都有一个共同的缺点,即缺乏探测量子物质所必需的相干性。近日,题为256 原子可编程量子模拟器上的物质量子相》(Quantum phases of matter on a 256-atom programmable quantum simulator)的论文发表在 Nature 上,该研究正要解决这个痛点。

      近年来,中性原子阵列已成为实现可编程量子系统的一个 “潜力股” 平台。基于里德堡态中的冷原子,原子阵列被用于探索一维和二维系统中的量子动力学,从而去高保真度大规模的量子纠缠系统,进而去执行并行量子逻辑操作,最终可实现基于囚禁中性原子阵列的量子计算机系统。

 

 

| 通过淬火动力学分析条纹相的相关性和相干性(来源:Nature

 

       虽然大量的原子被俘获、并能重新以二维方式和三维方式重新排列,但是使用同相位的方式去操作一个由 100 个粒子构成的可编程、强相互作用的系统,仍然是一个巨大考验。本次研究演示了几个新的量子相,并定量探测了相关的相变。通过利用极小尺度下的物质特性,该量子计算机可极大提高处理能力。在一定情况下,量子比特的增加,意味着相比于标准计算机,它能处理更高级别的信息。

 

| 二维正方晶格的相图(来源:Nature

 

       通过研究中的模拟器,研究人员可观察到一些此前从未在实验室内实现过的物质量子态,并能对其进行量子相变研究,其精确性足以成为磁性在量子层面上操控的教科书范例。把原子按顺序排列时,竟然还能拍摄单个原子的图像。

       研究中,该团队使用的是 2017 年开发的平台的升级版——即第二代平台,第二代平台可达 51 量子比特。通过该平台,研究人员能捕捉到超冷状态下的铷原子,并能使用一种名为光镊的二维单独聚焦激光束阵列,去将这些铷原子按特定顺序进行排列。相关实验也是在第二代平台上进行的,所涉及的新装置使用空间光调制器(SLM),从而可在真空单元中形成一个大型二维光镊阵列,这时静态镊子阵列会从磁光阱中加载单独的 87Rb 原子,1000 个光镊的均匀加载概率为 50-60%使用移动光镊,可将最初加载的原子重新排列到可编程、无缺陷的模式,这些光镊会被一对交叉的声光偏转器(AODs)引导到任意二维位置。研究人员可借此创造出可编程形状,如正方形、蜂窝状或三角形晶格。通过设计不同的形状,量子比特元之间会呈现出不同的相互作用。而针对多达数百个原子的阵列,该过程总耗时 50-100ms,导致填充的原子阵列的填充率能达到 99%

 

 图 | 强相互作用的里德堡原子的可编程二维阵列(来源:Nature

 

      另外,本次使用的新平台,可让研究人员用光学笔将原子分组成二维网络,这能把系统大小从 51 个量子位增加到 256 个量子位。空间光调制器是本次使用的新平台的主要构成部分,它被用于整形光波前,整形之后即可产生数百个单独聚焦的光镊光束。由于原子在光镊中的初始载荷是随机的,因此研究人员必须移动原子、以使其排列成目标几何形状。研究中,他们使用移动光镊将原子拖到想要的位置,这样的好处在于能消除初始随机性。而激光的存在,则能控制原子量子比特元的位置、以及操纵相干量子态。