《Nature》：美国两个小组独立发布51、53 Qubit量子机！可以模拟化学反应和物质合成，量子霸权时代到来了？
17 天前
原载：IEEE Spectrum，Jeremy Hsu， 翻译：岭南客
Illustration: E. Edwards/JQI
超越经典硅计算机的通用量子计算机，成为当前研究人员和工程师追逐的至高荣誉。在通往这一目标的路上，最近有两个来自美国的研究小组，展示了有史以来最大的量子计算机（量子物质模拟器）。这种专用设备比通用量子计算机的用途要小得多，但是与通用量子计算机有相似的架构，能为后者的到来铺平道路。
量子模拟器旨在解决诸如高能物理和化学等科学领域的非常具体的问题（比如化学反应，物质合成）。这些设备通常由五个或十个量子比特的小阵列组成，每个量子比特可以同时表示多个信息状态。在最近的研究中，一个研究小组用激光器作为光学镊子来组装一个所谓的里德堡原子（Rydberg atom）的51比特阵列。第二组展示了如何利用电场来控制一串带电荷的原子来建立一个53比特“离子阱”（trapped Ion）装置。
Photo: S. Debnath 这张照片显示了一个离子阱，研究人员用它来创建镱的带电原子（离子）的单排列行。
哈佛大学博士后量子物理研究员、里德堡原子论文合著者艾哈迈德•奥姆兰（Ahmed Omran）说：“这是量子技术发展的一个非常激动人心的时刻。 “我们的工作，以及马里兰大学和国家标准与技术研究院（NIST）的工作，以及其他大学和公司，包括Google，IBM，微软等，向前迈出了一步，能够在少量粒子上进行精细控制，这将带领我们进入一个新的自由王国：我们可以将其扩展到更大的系统级尺寸，这就有可能展现出量子加速的优势，相比那些传统的计算机，特别是在解决某些重要问题时。“
两个独立的研究小组首先用大量的受控量子比特来展示一些基本的实验。来自哈佛大学，麻省理工学院和加州理工学院的Omran及其同事在2017年11月29日《Nature》杂志的在线期刊上详细介绍了他们的51-bit“里德伯原子”（Rydberg atom）装置。同一期里还发表了由马里兰大学和美国国家标准与技术研究院（NIST）研究小组制造的53-qubit“离子阱”（trapped ion）装置的第二篇论文。
Omran和他的同事们使用101个激光器作为光镊，打在“稀释的铷原子蒸汽”上，每个激光束有60％的机会捕获单个原子，这意味着最初的原子阵列看起来非常随机。该小组的主要成就之一就是想方设法重新安排激光镊子，以便他们能够“创造出具有多达51个粒子的理想尺寸和图案的完美原子阵列”。
下一阶段的主要工作就是将原子转化为量子比特。研究人员通过将更多的激光聚焦在紧密围绕原子核的单个电子上来实现这一点。这提供了必要的能量，将电子推出到一个更大的轨道上（里德堡状态（Rydberg state），而且不会将电子从原子上完全剥离。里德堡原子之间的相互作用，使研究人员等效的把它们当做量子比特进行操作。
Omron解释说：“原子之间的距离决定了相互作用的强度，因为我们可以单独控制每个原子的位置，所以我们可以编程各种相互作用模式，并研究这个量子多体系统的演化。”
Image: E. Edwards/J. Zhang/Nature
在一个新的量子模拟器中，物理学家使用激光来测量排成一列的原子量子比特。 当用激光击中时，量子位表现为黑暗或明亮，这有助于研究人员研究系统的磁性状态。
第二个研究小组展示的“囚禁离子”量子模拟器采用了一种有点不同的方法来构建一个53-qubit阵列。 在这种情况下，研究人员创建了镱电荷原子（离子）的单排列行。 这种离子通常想要相互排斥，因为它们具有相同的电荷。 但研究组利用电场来抵消这种排斥倾向。
根据Omran和他的同事的说法，开创性的研究人员，例如Christopher Monroe（离子阱那篇文章的联合作者），已经帮助创建了一个基于离子阱方法控制量子位阵列的“伟大的工具箱和理解”。 他们补充说，离子阱阵列也使研究人员能够“较大范围调整其相互作用的距离”。
但是，离子阱阵列的主要挑战是抵消个体离子之间的强烈斥力相互作用 - 这可能会使建立更大量子模拟器的努力复杂化。
相比之下，里德堡原子方法在里德伯态如何表现和控制方面呈现出更多的未知数。但是，它的优势来自于在开启里德堡状态相互作用之前，可以将大量中性原子组合在一起。 Omran说：“虽然我们目前的系统规模与最大离子阱系统相似，但是有一些非常有希望的短期内可行的方案，可以让我们用数百个原子进行这些类型的实验。“
在以上的两个案例中，研究小组都在建立更大的原子量子比特阵列方面取得了巨大的进步，并开始研究他们的科学实用性。但是，在研究人员能够证明他们已经掌握了这些50比特阵列之间的量子相互作用之前，还有很多工作要做。
Omran和他的同事的下一步涉及到研究量子纠缠 - “远距离的魔鬼行为”现象，它允许两个纠缠的粒子保持完美的连接，尽管物理距离很大 - 因为它可以自然地由里德堡原子阵列中的相互作用产生。量子纠缠一般被认为是未来量子计算机同时执行许多不同计算的关键。
研究人员也希望改善对单个原子的控制。这种量子系统的最大的长期目标之一涉及到改善相干时间，相干时间指的是：通过维持某些状态，原子可以作为量子位的时间有多长。 Omran说：“当我们学习更好地控制我们的系统（Rydberg模拟器和离子模拟器）时，我们将能够改善我们的一致性和执行更复杂的模拟。 （Omran的合着者Hannes Bernien，Alexander Keesling和Harry Levine也对IEEE Spectrum提出的问题做出了详细的回应。）
像谷歌和IBM这样的科技巨头，一直在通过”在集成电路上构建超导量子位“这种完全不同的方法，来实现量子计算系统。 Google希望通过证明量子计算确实可以解决经典计算难以解决的一些问题，希望证明其49-qubit系统可以实现量子霸权（量子超越）。 相比之下，IBM工程师认为实现量子优势将需要至少57个或更多的量子位。
但即使是那种期待已久的量子超越论证，也只是通向量子计算之路上的一个早期阶段。 研究人员普遍认为，为了使通用量子计算成为一个更实用的工具，他们需要非常大的量子比特数：数万甚至数百万个。 不过，直到那个时候，设计用于解决更具体的量子模拟问题的、更小的量子比特阵列，仍然可以证明是非常有用的。
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