麻省理工学院的研究人员开发了一种由 16 个量子比特组成的超导量子处理器，他们可以用它来产生合成电磁场，使他们能够探索材料的特性。通过在超导量子计算机上模拟磁场，研究人员可以探索材料的复杂特性。
量子计算机具有模拟复杂材料的潜力，使研究人员能够更深入地了解原子和电子之间相互作用产生的物理特性。有朝一日，这可能会带来更好的半导体、绝缘体或超导体的发现或设计，这些半导体、绝缘体或超导体可用于制造更快、更强大、更节能的电子产品。
但是，使用量子计算机来模拟材料中出现的一些现象可能具有挑战性，这给科学家们使用量子硬件探索的问题留下了空白。
为了填补其中一个空白，麻省理工学院的研究人员开发了一种在超导量子处理器上产生合成电磁场的技术。该团队在包含 16 个量子比特的处理器上演示了该技术。
通过动态控制处理器中 16 个量子比特的相互耦合方式，研究人员能够模拟电子在存在电磁场的情况下如何在原子之间移动。此外，合成电磁场是广泛可调的，使科学家能够探索一系列材料特性。
模拟电磁场对于充分探索材料的特性至关重要。未来，这项技术可以揭示电子系统的关键特性，例如导电性、极化和磁化。
“量子计算机是研究材料和其他量子力学系统物理学的强大工具。我们的工作使我们能够模拟更多吸引材料科学家的丰富物理学，“麻省理工学院博士后、量子模拟器论文的主要作者 Ilan Rosen 说。
本文的资深作者是 William D. Oliver，他是电气工程和计算机科学以及物理学的 Henry Ellis Warren 教授、量子工程中心主任、工程量子系统小组的负责人和电子研究实验室的副主任。Oliver 和 Rosen 与电气工程和计算机科学系、物理系以及麻省理工学院林肯实验室的其他人一起工作。这项研究最近发表在《自然物理学》上。
量子模拟器
IBM 和 Google 等公司正在努力构建大规模数字量子计算机，这些计算机有望通过以更快的速度运行某些算法来超越经典计算机。
但这并不是量子计算机能做的全部。量子比特及其耦合的动力学也可以仔细构建，以模拟电子在固体原子之间移动时的行为。“这导致了一个明显的应用，即使用这些超导量子计算机作为材料的模拟器，”麻省理工学院的研究科学家、该论文的合著者 Jeffrey Grover 说。
研究人员无需尝试构建大规模数字量子计算机来解决极其复杂的问题，而是可以将较小规模量子计算机中的量子比特用作模拟设备，在受控环境中复制材料系统。“通用数字量子模拟器前景广阔，但距离开发目标还有很长的路要走。模拟仿真是另一种可能在短期内产生有用结果的方法，特别是对于研究材料。它是量子硬件的一个简单而强大的应用程序，“Rosen 解释说。“使用模拟量子仿真器，我可以有意识地设置一个起点，然后观察随时间展开的内容。”
尽管它们与材料非常相似，但材料中的一些重要成分不能轻易反映在量子计算硬件上。其中一种成分是磁场。在材料中，电子“生活在”原子轨道中。当两个原子彼此靠近时，它们的轨道会重叠，电子可以从一个原子“跳跃”到另一个原子。在磁场存在的情况下，这种跳跃行为变得更加复杂。
在超导量子计算机上，量子比特之间跳跃的微波光子用于模拟原子之间跳跃的电子。但是，由于光子不像电子那样是带电粒子，因此光子的跳跃行为在物理磁场中将保持不变。
由于他们不能只在模拟器中打开磁场，因此 MIT 团队采用了一些技巧来合成磁场的效果。
调整处理器
研究人员调整了处理器中相邻量子比特的相互耦合方式，以产生与电磁场在电子中引起的相同复杂跳跃行为。
为此，他们通过应用不同的微波信号来略微改变每个量子比特的能量。通常，研究人员会将量子比特设置为相同的能量，以便光子可以从一个量子比特跳到另一个量子比特。但对于这种技术，它们会动态改变每个量子比特的能量，以改变它们之间的通信方式。
通过精确调制这些能级，研究人员使光子能够以与电子在磁场中的原子之间跳跃相同的复杂方式在量子比特之间跳跃。
此外，由于它们可以微调微波信号，因此可以模拟一系列具有不同强度和分布的电磁场。
研究人员进行了几轮实验，以确定为每个量子比特设置什么能量、调制它们的强度以及要使用的微波频率。“最具挑战性的部分是找到每个量子比特的调制设置，以便所有 16 个量子比特同时工作，”Rosen 说。
一旦他们找到了正确的设置，他们就证实了光子的动力学支持构成电磁学基础的几个方程。他们还演示了“霍尔效应”，这是一种存在于电磁场下的传导现象。
这些结果表明，他们的合成电磁场表现得像真实的东西。
展望未来，他们可以使用这项技术来精确研究凝聚态物理学中的复杂现象，例如当材料从导体变为绝缘体时发生的相变。“我们的仿真器的一个很好的功能是，我们只需要更改调制幅度或频率即可模拟不同的材料系统。通过这种方式，我们可以扫描许多材料属性或模型参数，而无需每次都物理制造新设备，“Oliver 说。Rosen 说，虽然这项工作是合成电磁场的初步演示，但它为许多潜在发现打开了大门。
“量子计算机的美妙之处在于，我们可以准确地查看每个量子比特上每时每刻发生的事情，因此我们可以利用所有这些信息。我们正处于一个非常令人兴奋的未来，“他补充道。
