一個由哈佛大學和麻省理工學院的研究人員合作的小組,採用光鑷把作為量子比特(qubit)的低溫銣原子排布成需要的各種幾何形狀,造出具有256 個量子比特的量子模擬器,是同類技術中目前為止規模最大的一個。

《自然》(Nature) 期刊7 月7 日刊登了這項研究成果。項目的負責人之一哈佛大學物理學家盧金(Mikhail Lukin) 說:「這項成果進入了一個至今無人涉足的領域。」

研究報告的主要撰寫者埃巴迪(Sepehr Ebadi)介紹說,規模最大和具有可編程性是這套系統最引人注目的成就。在合適的條件下,擁有256 個量子比特的系統比起使用傳統比特的電腦,所能處理的信息量呈指數級增長。

「256 個量子比特系統能處理的量子態的數量,比太陽系內原子的總數還多。」埃巴迪如此形容這個系統所能應對的大容量信息。比特是傳統電腦的基本信息單位,量子比特就是量子電腦的基本單位。

研究稱這個模擬器已經幫助他們實驗觀測了物質的幾個奇特的量子態,都是以前的實驗無法觀測到的,比如磁性在量子水平上如何運作。這些實驗有助於探索各種材料的量子物理特性,以開發具有各種新特性的高級材料。

這套系統是在研究組2017 年的成果上進一步發展而來,當時研究組造出的系統具有51 個量子比特。那套系統使用一維光鑷順序排布低溫銣原子。光鑷,也叫光學鑷子或光鉗,是一種通過高度聚焦激光束產生力量移動微小物體的裝置。

新系統使用二維光鑷操作銣原子,從而把系統的規模從51 個量子比特增加到256 個。由於光鑷操作的精確度,研究人員可以排布出無瑕疵的分佈形狀,例如方形、蜂窩形或三角格子形等,並讓不同的量子比特之間產生不同的互動。

「這套新系統的一個重要部件是名為空間光調製器的設備,用於產生數百個高度聚焦的光鑷激光束。這些設備其實就和投影器把圖像投影到屏幕上的原理一樣,只不過我們把它改造用於我們的量子模擬器。」

研究稱,原子剛載入光鑷的時候是無序的狀態,先要把它們按照需要的幾何圖形佈局,然後再用光鑷把原子精確定位。研究稱,激光在幫助他們精確定位的同時,又不會破壞這些原子的量子相干性。

合作研究員之一哈佛物理學家王濤(Tout Wang, 音譯)說:「建造更大、更好的量子電腦是一個全球競爭的領域,我們的工作是裏面的一部份,包括Google(Google)、IBM、亞馬遜(Amazon)等多家頂尖的私有機構都在進行研究。」

這個項目組目前在繼續改善激光對量子比特的控制力,從而進一步提升其編程的能力,並開始探索這樣規模的量子模擬器可以適用於哪些實際的領域。

埃巴迪說:「這項研究提供了多個全新的科研方向,我們還遠未觸及這樣的系統能力所能達到的極限。」◇