麻省理工学院(MIT)和哈佛大学(Harvard University)的物理学家们展示了一种操纵量子比特的新方法。在今天发表在《自然》(Nature)杂志上的一篇论文中，他们报告使用一种将激光微调到第一个陷阱的系统，然后调整51个单个原子或量子比特的相互作用。
该研究小组的研究结果是量子比特(qubits)最大的阵列之一，科学家们已经能够单独控制它。在同样的自然问题上，马里兰大学的一个研究小组报告了一个同样大小的系统，使用被捕获的离子作为量子比特。
在麻省理工学院(mit - harvard)的研究方法中，研究人员生成了一个由51个原子组成的链，并对它们进行编程，让它们经历一个量子相变，在这个过程中，链中的其他原子都处于兴奋状态。这种模式类似于一种被称为反铁磁的状态，在这种状态下，每一个原子或分子的自旋都是一致的。
团队描述了51-atom数组不是一个通用的量子计算机,计算理论上应该能够解决任何问题,但“量子模拟器”——一个量子比特系统可以用来模拟一个特定的问题或解决特定方程,比最快的古典电脑快得多。
例如，团队可以重新配置原子的模式来模拟和研究新的物质状态和量子现象，比如纠缠。新的量子模拟器也可以作为解决优化问题的基础，如旅行商问题，在这个问题中，理论推销员必须找出最短路径以访问给定的城市列表。这一问题的细微变化出现在许多其他研究领域，如DNA测序，将自动焊接头移动到许多焊接点，或通过处理节点路由数据包。
”这个问题是指数为一个经典的电脑,这意味着它可以为一定数量的解决这个城市,但是,如果我想要添加更多的城市,它会更加困难,很快,”说研究的合著者Vladan Vuleti?,莱斯特·沃尔夫麻省理工学院物理学教授。对于这类问题，你不需要量子计算机。模拟器足以模拟正确的系统。所以我们认为这些优化算法是最直接的任务。
这项工作是与哈佛大学教授Mikhail Lukin和Markus Greiner合作完成的;麻省理工学院访问科学家Sylvain Schwartz也是合著者。
独立但相互作用
量子计算机在很大程度上是理论上的设备，它可能在一小部分时间内进行极其复杂的计算，而这只是世界上最强大的经典计算机的一部分。它们可以通过量子位——数据处理单元，而不像传统计算机的二进制位，可以同时处于0和1的位置。叠加的量子特性允许单个量子比特同时执行两个独立的计算流。在系统中添加额外的量子位可以大大加快计算机的计算速度。
但是主要的障碍阻碍了科学家们实现全面运行的量子计算机。一个这样的挑战:如何让量子位在不与周围环境接触的情况下相互作用。
“我们知道事情时很容易将古典与环境的交互,所以你需要(量子比特)超级孤立,“Vuleti?说,他是来自电子研究实验室的成员和超冷原子的中心。“另一方面，他们需要与另一个量子位进行强有力的交互。”
一些团体正在用离子或带电原子作为量子位构建量子系统。他们利用电场捕捉或隔离环境中的离子;一旦被困住，离子就会相互作用。但是，许多这样的相互作用是强烈的排斥，就像类似的定向磁铁一样，因此很难控制，特别是在有许多离子的系统中。
其他的研究人员正在试验超导量子比特——人造的原子以量子的形式表现出来。但是Vuleti?说这样制造量子比特相比有自身的缺陷与基于实际原子。
“根据定义,每一个原子是一样的其他原子相同的物种,”Vuleti?说。“但是当你手工制作它们的时候，你就会产生一些制造的影响，比如稍微不同的过渡频率、联轴器等等。”
设置陷阱
Vuleti?和他的同事们想出了一个第三种方法构建一个量子系统,使用中性原子-原子不电荷量子比特。与离子不同的是，中性原子不会相互排斥，它们具有固有的相同性质，不像制造的超导量子比特。
在之前的研究中，该小组设计了一种方法来捕获单个原子，通过激光束将铷原子的云冷却到接近绝对零度的温度，使它们的运动几乎停止。然后，他们使用第二束激光，分裂成100多束，捕捉并控制单个原子的位置。他们能够像云一样来观察哪些激光束捕获了一个原子，并且可以关闭某些光束来丢弃那些没有原子的陷阱。然后，他们重新排列所有的原子陷阱，创建一个有序的，无缺陷的量子位数组。
通过这种技术，研究人员已经能够建立一个51个原子的量子链，它们都被困在基态或最低能级。
在他们的新论文中，团队报告更进一步，控制了51个被捕获原子的相互作用，这是控制单个量子位的必要步骤。为了做到这一点，他们暂时关闭了最初捕获原子的激光频率，使量子系统自然进化。
然后他们暴露了发展量子系统第三激光来激发原子进入所谓的里德伯状态——一个国家,一个原子的电子兴奋非常高的能量相比于其他原子的电子。最后，他们将原子捕获的激光束重新发射，以探测单个原子的最终状态。
“如果所有的原子在基态开始,原来当我们试图把所有的原子激发态,每秒钟产生的状态是一个原子是兴奋,“Vuleti?说。“因此，原子使量子相变到类似于反铁磁体的物质。”
由于Rydberg状态中的原子相互作用非常强烈，所以这种转变只发生在其他的原子上，因此激发两个相邻原子到Rydberg状态的能量要比激光能提供的能量多得多。
Vuleti?说,研究人员可以改变原子之间的相互作用通过改变困原子的排列,以及atom-exciting激光束的频率或颜色。而且，这个系统很容易扩展。
“我们认为我们可以扩展到几百,“Vuleti?说。“如果你想用这个系统作为量子计算机，它就会对100个原子的顺序产生兴趣，这取决于你想要模拟的系统。”
目前，研究人员正计划将51个原子系统作为一个量子模拟器进行测试，具体来说就是利用绝热量子计算解决的路径规划优化问题，这是由麻省理工学院的爱德华·法希、塞西尔和艾达·格林教授提出的量子计算的一种形式。
绝热量子计算提出，量子系统的基态描述了对问题的解决方法。当该系统能够自行进化产生问题时，系统的最终状态可以确定解决方案。
“你可以先准备系统简单,能量最低的状态,例如基态原子,然后慢慢变形,它代表你想解决的问题,例如,旅行推销员问题,“Vuleti?说。“这是系统中一些参数的缓慢变化，这正是我们在这个实验中所做的。”所以我们的系统是针对这些绝热量子计算问题的。
这项研究在一定程度上受到了国家科学基金会、陆军研究办公室和空军科学研究办公室的支持。
——文章发布于2017年11月29日
