麻省理工学院和哈佛大学的物理学家展示了一种操纵物质的新方法。研究人员使用精细调谐的激光系统向第一陷阱进行报告，然后调整51次异味原子或量子位的相互作用。图像：克里斯汀·丹尼尔洛夫（Christine Daniloff）
麻省理工学院和哈佛大学的物理学家展示了一种操纵物质的新方法。在今天发表的论文中，他们向第一次陷阱使用精细调谐激光器的系统报告，然后调整51次异味原子或量子位的相互作用。
该团队的结果代表了称为Qubits的最大量子位数之一，科学家能够临近控制。在同一问题中，来自马里兰大学的一支团队向类似捕获的离子作为量子位报告了一个类似大小的系统。
在麻省理工学院的方法中，研究人员产生了51个原子的链，并将它们编程以进行量子相转变，其中链中的每种其他原子都被激发。该图案类似于称为反霉素的磁化状态，其中每个其他原子或分子的旋转对齐。
该团队描述了51个原子阵列不是完全是通用量子计算机，理论上应该能够解决所带来的任何计算问题，而是一个“Quantum Simulator” - 一种可以设计用于模拟特定的量子位系统问题或解决特定方程，比最快的经典计算机更快。
例如，该团队可以重新计算原子的模式以模拟和研究新的物质和量子现象，如纠缠。新量子模拟器也可以是解决旅行推销员问题等优化问题的基础，其中理论推销员必须淘汰最短的路径，以便访问给定的城市列表。该问题的轻微变化出现在许多其他研究领域，例如DNA测序，将自动焊接尖端移动到许多焊接点，或通过处理节点路由数据包。
“这个问题对于古典电脑来说是令人级要的，这意味着它可以解决这一定的城市来解决这个问题，但如果我想加更多的城市，它会变得更加困难，很快，”学习合作的Vladanvuletić说，“ Lester Wolfe Mit物理学教授。“对于这种问题，您不需要量子计算机。模拟器足以模拟正确的系统。因此，我们认为这些优化算法是实现最简单的任务。“
这项工作是与哈佛教授米哈尔·卢辛和马克斯格勒的合作进行的; MIT访问科学家Sylvain Schwartz也是一个共同作者。
分开但互动
量子计算机主要是理论上的设备，可能在世界上最强大的古典计算机上采取的一段时间内潜在地进行巨大复杂的计算。他们将通过Qubits - 数据处理单元进行，该数据处理单元与经典计算机的二进制位不同，可以同时在0和1的位置。该叠加的量子属性允许单个时钟同时执行两个单独的计算流。向系统添加其他Qubits可以呈指数升级计算机的计算。
但主要的障碍阻止了科学家实现了一个完全运行的量子计算机。一个这样的挑战：如何获得Qubits以彼此互动，同时不与周围环境啮合。
“我们知道在与环境互动时非常轻松地转变古典，所以你需要[Qubits]超级隔离，”瓦雷耶蒂说，沃阿里斯说，电子产品研究实验室和Ultracold原子的MIT-HARVARD中心成员。“另一方面，他们需要强烈地与另一个Qubit互动。”
有些群体正在用离子或带电原子构建量子系统，如夸张。他们使用电场将离子捕获或与环境的其余部分隔离;一旦被困，离子彼此强烈相互作用。但是这些相互作用中的许多相互排斥，如类似取向的磁铁，因此难以控制，特别是在具有许多离子的系统中。
其他研究人员正在尝试超导Qubits - 制造以量子时尚的人工原子。但是，与基于实际原子的人相比，此类制造的额度具有它们的缺点。
“根据定义，每个原子都与相同物种的其他所有原子相同，”vuletić说。“但是当你用手建造它们时，你有制造影响，例如略有不同的过渡频率，耦合等。”
设置陷阱
vuletić和他的同事们用了一个第三种方法来建立量子系统，使用中性原子 - 原子，该原子阻止没有电荷 - 如夸张。与离子不同，中性原子不互相排斥，并且它们具有固有的相同性质，与制造的超导Qubits不同。
在以前的工作中，该组通过使用激光束首先冷却铷原子云以靠近绝对零温度，使其运动变慢到近静止的情况下进行疏水原子。然后，它们采用第二激光，分成100多个光束，以捕获并保持疏远原子。它们能够将云图像拍摄，以查看哪些激光束捕获原子，并且可以关闭某些光束以丢弃没有原子的陷阱。然后，它们重新排列所有具有原子的陷阱，以创建有序的无缺陷的Qubits数组。
利用这种技术，研究人员能够建立51个原子的量子链，全部被捕获在地面状态或最低能级。
在他们的新论文中，团队报告进一步逐步，以控制这51个截图原子的相互作用，这是迈向操纵史的必要步骤。为此，他们暂时关闭最初捕获原子的激光频率，允许量子系统自然地发展。
然后，它们将不断的量子系统暴露于第三激光束，以试图将原子激发到所谓的rydberg状态 - 与原子的其余部分相比，原子的电子的一个原子的电子对非常高的能量激发的状态。电子。最后，它们将原子捕获激光束转回以检测待磷原子的最终状态。
“如果所有原子在地面处于基地开始，那么当我们尝试将所有原子放入这种激动的状态时，它出现的状态是每个第二个原子兴奋的状态，”vuletić说。“所以原子使量子相位过渡到类似于反霉素的东西。”
由于Rydberg状态中的原子彼此相互作用，因此仅在每个其他原子中进行过渡，并且将两个相邻原子相互作用，使两个相邻原子相比比激光相互作用，而不是激光可以提供更多的能量。
vuleTić表示，研究人员可以通过改变截留原子的布置以及原子激发激光束的频率或颜色来改变原子之间的相互作用。更重要的是，系统可能很容易扩展。
“我们认为我们可以将其扩展到几百，”vuletić说。“如果要将此系统用作量子计算机，则根据您正在尝试模拟的系统，它变得有趣100个原子序。”
目前，研究人员正计划将51原子系统测试为量子模拟器，特别是可以使用绝热量子计算可以解决的路径规划优化问题 - 这是由爱德华·萨莉，塞西尔和IDA提出的量子计算形式麻省理工学院的物理学教授。
绝热量子计算提出了量子系统的地位描述了对感兴趣问题的解决方案。当该系统可以进化以产生问题本身时，系统的最终状态可以确认解决方案。
“您可以首先在简单和已知的最低能量状态下准备系统，例如他们的地面状态的所有原子，然后慢慢地将其变形以代表您要解决的问题，例如旅行推销员问题，”vuletić说。“它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事情。因此，我们的系统朝向这些绝热量子计算问题。“
该研究部分受到国家科学基金会，军队研究办公室和科学研究空军办公室的支持。
出版物：Hannes Bernien，等人，“在51-Atom Quantum Simulator上探测许多身体动态，”2017年11月30日）DOI：10.1038 / Nature24622
