來源：DeepTech深科技

　　你見過用原子制作的視頻嗎？

圖 | 原子視頻（來源：哈佛大學）

　　原子的半徑非常微小，大約在 10^-15 數量級，在實驗上將 256 個原子按照設計需要，排列成任意的三維形狀，并進行相干操作演示量子模擬是一件非常不可思議的事情。

　　能把這么小的微粒做成視頻確實非常少見，而這正是哈佛 - 麻省理工學院超冷原子中心（Harvard-MIT Center for ultra - cold Atoms）及合作團隊的成果體現，該成果基于他們最近宣布的 “有史以來最大的” 256 個量子比特模擬器。

　　256 量子比特模擬器的容量有多少？據研究團隊介紹，這么大的模擬器能產生的量子態數量，甚至會超過太陽系原子的數量。

　　談及該研究，2020 年曾在 Nature 上發表過類似成果的中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室教授苑震生告訴 DeepTech：“這項研究顯示，人們對微觀粒子的量子調控能力越來越強，可以形成中等尺度的量子模擬器，制備、調控和觀測復雜的強關聯量子物態，解決經典超級計算機難以處理的量子材料問題。”

圖 | 該團隊開發出一種量子計算機，名字叫可編程量子模擬器。圖為研究人員正在調試設備，以便制造可編程光鑷（來源：哈佛大學）

　　解決經典超算的量子材料處理難題

　　當地時間 7 月 7 日，相關論文以《256 原子可編程量子模擬器上的物質量子相》（Quantum phases of matter on a 256-atom programmable quantum simulator）為題發表在 Nature 上。來自一支法國團隊的類似論文也背靠背地發表在 Nature 上。

　圖 | 相關論文（來源：Nature）

　　盡管人們在可編程量子系統領域內，尤其是在模擬和計算方面已經取得一些成果。比如目前最新可編程量子系統已能達到含有五十多個被俘獲離子的離子阱系統或超導量子比特。

　　另外，76 個光子的高斯波色采樣已被用來實現量子霸權執行玻色子采樣，具有數百個原子的光學晶格正被用于探索哈伯德模型，更大尺度的伊辛自旋系統已經被基于超導量子比特的量子計算機模擬。但它們都有一個共同的缺點，即缺乏探測量子物質所必需的相干性。而這正是該研究要解決的主要痛點。

　　近年來，中性原子陣列已成為實現可編程量子系統的一個 “潛力股” 平臺。基于里德堡態中的冷原子，原子陣列被用于探索一維和二維系統中的量子動力學，從而去高保真度大規模的量子糾纏系統，進而去執行并行量子邏輯操作，最終可實現基于囚禁中性原子陣列的量子計算機系統。

圖 | 通過淬火動力學分析條紋相的相關性和相干性（來源：Nature）

　　雖然大量的原子被俘獲、并能重新以二維方式和三維方式重新排列，但是使用同相位的方式去操作一個由 100 個粒子構成的可編程、強相互作用的系統，仍然是一個巨大考驗。

　　這也讓本次成果顯得尤為寶貴，該論文的通訊作者、哈佛大學物理學教授米哈伊爾?魯金（Mikhail Lukin）也表示：“這項研究將該領域推到了一個前所未有的地方。”

圖 | 哈佛大學物理學教授米哈伊爾?魯金（Mikhail Lukin）（來源：哈佛大學）

　　據了解，哈佛量子計劃正是由米哈伊爾?魯金共同發起。本次研究中，他和團隊還演示了幾個新的量子相，并定量探測了相關的相變。

　　該校藝術與科學研究生院的物理系學生塞佩爾?埃巴迪（Sepehr Ebadi）擔任論文一作，他表示由于該系統具備前所未有的規模和可編程性，這也讓本次量子計算機的性能位居業內前沿。

　　通過利用極小尺度下的物質特性，該量子計算機可極大提高處理能力。在一定情況下，量子比特的增加，意味著相比于標準計算機，它能處理更高級別的信息。

圖 | 二維正方晶格的相圖（來源：Nature）

　　通過研究中的模擬器，研究人員可觀察到一些此前從未在實驗室內實現過的物質量子態，并能對其進行量子相變研究，其精確性足以成為磁性在量子層面上操控的教科書范例。把原子按順序排列時，竟然還能拍攝單個原子的圖像，如本文開頭所示，研究人員甚至能制作趣味原子視頻。

　　研究中，該團隊使用的是 2017 年開發的平臺的升級版——即第二代平臺，第二代平臺可達 51 量子比特。通過該平臺，研究人員能捕捉到超冷狀態下的銣原子，并能使用一種名為光鑷的二維單獨聚焦激光束陣列，去將這些銣原子按特定順序進行排列。

　　相關實驗也是在第二代平臺上進行的，所涉及的新裝置使用空間光調制器（SLM），從而可在真空單元中形成一個大型二維光鑷陣列，這時靜態鑷子陣列會從磁光阱中加載單獨的 87Rb 原子，1000 個光鑷的均勻加載概率為 50-60%。

　　使用移動光鑷，可將最初加載的原子重新排列到可編程、無缺陷的模式，這些光鑷會被一對交叉的聲光偏轉器（AODs）引導到任意二維位置。

　　研究人員可借此創造出可編程形狀，如正方形、蜂窩狀或三角形晶格。通過設計不同的形狀，量子比特元之間會呈現出不同的相互作用。而針對多達數百個原子的陣列，該過程總耗時 50-100ms，導致填充的原子陣列的填充率能達到 99%。

圖 | 強相互作用的里德堡原子的可編程二維陣列（來源：Nature）

　　另外，本次使用的新平臺，可讓研究人員用光學筆將原子分組成二維網絡，這能把系統大小從 51 個量子位增加到 256 個量子位。

（來源：Nature）

　　空間光調制器是本次使用的新平臺的主要構成部分，它被用于整形光波前，整形之后即可產生數百個單獨聚焦的光鑷光束。

　　由于原子在光鑷中的初始載荷是隨機的，因此研究人員必須移動原子、以使其排列成目標幾何形狀。

　　研究中，他們使用移動光鑷將原子拖到想要的位置，這樣的好處在于能消除初始隨機性。而激光的存在，則能控制原子量子比特元的位置、以及操縱相干量子態。

圖 | 研究人員用 420 毫米激光來控制和糾纏里德堡原子（來源：哈佛大學）

　　在處理量子信息時，也可使用多量子比特操作的方法、以及量子糾錯和容錯控制的協議來探索。該團隊的研究方法，也非常適合于實現量子優化和采樣的新算法。

　　該研究還可通過升級真空系統、以及提高光子收集效率進行改進，其中量子相干性可通過使用高能里德堡激光器、和在超精細基態中編碼量子比特兩種方法來進行增強。而不同原子和分子種類的光鑷，也能提供額外的功能，并在量子模擬和計量學中得到新的應用。

　　本次實驗實現了幾個新的量子相，并為二維系統中的量子相變提供了見解。這些研究可以沿著幾個方向擴展，包括通過量子相變快速淬滅探索非平衡糾纏動力學、尖銳邊界系統中表面臨界的研究、缺陷晶格上物質的拓撲量子態的研究、晶格規范理論的模擬以及使用超精細編碼對更廣泛的自旋模型的研究。

　圖 | 使用棋盤排序的量子模擬器的基準測試（來源：Nature）

　　本次研究的實驗表明，二維里德堡原子陣列構成了數百個量子位元可編程量子模擬的強大平臺。他們期望未來系統的大小、量子控制保真度和可編程度都可以通過技術改進而大大提高。

　　哈佛大學物理學研究助理、論文作者之一的 Tout T。 Wang 告訴媒體：“我們的工作是構建更大更好的量子計算機的。。。。。。 全球競賽的一部分。”

　　其還表示，除了該團隊自己的努力，以及其他頂級學術研究機構的參與，谷歌、IBM、亞馬遜和許多其他機構都對該研究進行了大型投資。

　　目前，研究人員正通過改進激光對量子比特的控制、以及讓系統更具可編程性。他們也在積極探索將該系統用于新場景，比如從探索奇異的量子物質形式、到在量子比特上自然編碼上解決挑戰性難題。

　　據悉，量子比特是量子計算機運行的基本構件，也是其巨大處理能力的來源。量子機器可用于揭示一系列復雜的量子過程，并能幫助人類在材料科學、通信技術、金融和許多其他領域帶來現實世界的突破，克服了當今最快的超級計算機都無法克服的研究障礙。

　　概括來說，本次研究成果給復雜量子物質的研究提出了新途徑，為研究奇異量子相、非平衡糾纏動力學和量子算法的硬件熟練實現鋪平了道路，標志著人類朝向建造大量子模擬器方向邁出了重要一步。