《Nature》：美國兩個小組獨立發(fā)布51、53 Qubit量子機！可以模擬化學反應和物質(zhì)合成，量子霸權(quán)時代到來了？
17 天前
原載：IEEE Spectrum，Jeremy Hsu， 翻譯：嶺南客
Illustration: E. Edwards/JQI
超越經(jīng)典硅計算機的通用量子計算機，成為當前研究人員和工程師追逐的至高榮譽。在通往這一目標的路上，最近有兩個來自美國的研究小組，展示了有史以來最大的量子計算機（量子物質(zhì)模擬器）。這種專用設(shè)備比通用量子計算機的用途要小得多，但是與通用量子計算機有相似的架構(gòu)，能為后者的到來鋪平道路。
量子模擬器旨在解決諸如高能物理和化學等科學領(lǐng)域的非常具體的問題（比如化學反應，物質(zhì)合成）。這些設(shè)備通常由五個或十個量子比特的小陣列組成，每個量子比特可以同時表示多個信息狀態(tài)。在最近的研究中，一個研究小組用激光器作為光學鑷子來組裝一個所謂的里德堡原子（Rydberg atom）的51比特陣列。第二組展示了如何利用電場來控制一串帶電荷的原子來建立一個53比特“離子阱”（trapped Ion）裝置。
Photo: S. Debnath 這張照片顯示了一個離子阱，研究人員用它來創(chuàng)建鐿的帶電原子（離子）的單排列行。
哈佛大學博士后量子物理研究員、里德堡原子論文合著者艾哈邁德?奧姆蘭（Ahmed Omran）說：“這是量子技術(shù)發(fā)展的一個非常激動人心的時刻。 “我們的工作，以及馬里蘭大學和國家標準與技術(shù)研究院（NIST）的工作，以及其他大學和公司，包括Google，IBM，微軟等，向前邁出了一步，能夠在少量粒子上進行精細控制，這將帶領(lǐng)我們進入一個新的自由王國：我們可以將其擴展到更大的系統(tǒng)級尺寸，這就有可能展現(xiàn)出量子加速的優(yōu)勢，相比那些傳統(tǒng)的計算機，特別是在解決某些重要問題時。“
兩個獨立的研究小組首先用大量的受控量子比特來展示一些基本的實驗。來自哈佛大學，麻省理工學院和加州理工學院的Omran及其同事在2017年11月29日《Nature》雜志的在線期刊上詳細介紹了他們的51-bit“里德伯原子”（Rydberg atom）裝置。同一期里還發(fā)表了由馬里蘭大學和美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）研究小組制造的53-qubit“離子阱”（trapped ion）裝置的第二篇論文。
Omran和他的同事們使用101個激光器作為光鑷，打在“稀釋的銣原子蒸汽”上，每個激光束有60％的機會捕獲單個原子，這意味著最初的原子陣列看起來非常隨機。該小組的主要成就之一就是想方設(shè)法重新安排激光鑷子，以便他們能夠“創(chuàng)造出具有多達51個粒子的理想尺寸和圖案的完美原子陣列”。
下一階段的主要工作就是將原子轉(zhuǎn)化為量子比特。研究人員通過將更多的激光聚焦在緊密圍繞原子核的單個電子上來實現(xiàn)這一點。這提供了必要的能量，將電子推出到一個更大的軌道上（里德堡狀態(tài)（Rydberg state），而且不會將電子從原子上完全剝離。里德堡原子之間的相互作用，使研究人員等效的把它們當做量子比特進行操作。
Omron解釋說：“原子之間的距離決定了相互作用的強度，因為我們可以單獨控制每個原子的位置，所以我們可以編程各種相互作用模式，并研究這個量子多體系統(tǒng)的演化。”
Image: E. Edwards/J. Zhang/Nature
在一個新的量子模擬器中，物理學家使用激光來測量排成一列的原子量子比特。 當用激光擊中時，量子位表現(xiàn)為黑暗或明亮，這有助于研究人員研究系統(tǒng)的磁性狀態(tài)。
第二個研究小組展示的“囚禁離子”量子模擬器采用了一種有點不同的方法來構(gòu)建一個53-qubit陣列。 在這種情況下，研究人員創(chuàng)建了鐿電荷原子（離子）的單排列行。 這種離子通常想要相互排斥，因為它們具有相同的電荷。 但研究組利用電場來抵消這種排斥傾向。
根據(jù)Omran和他的同事的說法，開創(chuàng)性的研究人員，例如Christopher Monroe（離子阱那篇文章的聯(lián)合作者），已經(jīng)幫助創(chuàng)建了一個基于離子阱方法控制量子位陣列的“偉大的工具箱和理解”。 他們補充說，離子阱陣列也使研究人員能夠“較大范圍調(diào)整其相互作用的距離”。
但是，離子阱陣列的主要挑戰(zhàn)是抵消個體離子之間的強烈斥力相互作用 - 這可能會使建立更大量子模擬器的努力復雜化。
相比之下，里德堡原子方法在里德伯態(tài)如何表現(xiàn)和控制方面呈現(xiàn)出更多的未知數(shù)。但是，它的優(yōu)勢來自于在開啟里德堡狀態(tài)相互作用之前，可以將大量中性原子組合在一起。 Omran說：“雖然我們目前的系統(tǒng)規(guī)模與最大離子阱系統(tǒng)相似，但是有一些非常有希望的短期內(nèi)可行的方案，可以讓我們用數(shù)百個原子進行這些類型的實驗。“
在以上的兩個案例中，研究小組都在建立更大的原子量子比特陣列方面取得了巨大的進步，并開始研究他們的科學實用性。但是，在研究人員能夠證明他們已經(jīng)掌握了這些50比特陣列之間的量子相互作用之前，還有很多工作要做。
Omran和他的同事的下一步涉及到研究量子糾纏 - “遠距離的魔鬼行為”現(xiàn)象，它允許兩個糾纏的粒子保持完美的連接，盡管物理距離很大 - 因為它可以自然地由里德堡原子陣列中的相互作用產(chǎn)生。量子糾纏一般被認為是未來量子計算機同時執(zhí)行許多不同計算的關(guān)鍵。
研究人員也希望改善對單個原子的控制。這種量子系統(tǒng)的最大的長期目標之一涉及到改善相干時間，相干時間指的是：通過維持某些狀態(tài)，原子可以作為量子位的時間有多長。 Omran說：“當我們學習更好地控制我們的系統(tǒng)（Rydberg模擬器和離子模擬器）時，我們將能夠改善我們的一致性和執(zhí)行更復雜的模擬。 （Omran的合著者Hannes Bernien，Alexander Keesling和Harry Levine也對IEEE Spectrum提出的問題做出了詳細的回應。）
像谷歌和IBM這樣的科技巨頭，一直在通過”在集成電路上構(gòu)建超導量子位“這種完全不同的方法，來實現(xiàn)量子計算系統(tǒng)。 Google希望通過證明量子計算確實可以解決經(jīng)典計算難以解決的一些問題，希望證明其49-qubit系統(tǒng)可以實現(xiàn)量子霸權(quán)（量子超越）。 相比之下，IBM工程師認為實現(xiàn)量子優(yōu)勢將需要至少57個或更多的量子位。
但即使是那種期待已久的量子超越論證，也只是通向量子計算之路上的一個早期階段。 研究人員普遍認為，為了使通用量子計算成為一個更實用的工具，他們需要非常大的量子比特數(shù)：數(shù)萬甚至數(shù)百萬個。 不過，直到那個時候，設(shè)計用于解決更具體的量子模擬問題的、更小的量子比特陣列，仍然可以證明是非常有用的。
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