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通常來說，進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程已經(jīng)是一項(xiàng)相當(dāng)費(fèi)力的工作，代碼除了需要數(shù)小時(shí)的編寫外，還需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)試、測(cè)試以及詳情記錄，來確保它能正常工作。不過事實(shí)上，與麻省理工-哈佛超冷原子中心和加州理工學(xué)院的物理學(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì)正做的工作相比，其難度就變得微乎其微了。
最近，哈佛大學(xué) Mikhail Lukin，Markus Greiner 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)與麻省理工的 Vladan Vuletic 教授共同開發(fā)了一種特殊的量子計(jì)算機(jī)——量子模擬器。這一量子模擬器由激光捕獲的超冷銣原子所編碼，將這些冷原子以特定的順序進(jìn)行排列，就能實(shí)現(xiàn)一些必要的量子計(jì)算。
圖 | 哈佛大學(xué)物理學(xué)教授 Markus Greiner（左）與 Mikhail Lukin（右）開發(fā)了 51 量子比特的量子模擬器
該模擬器系統(tǒng)可用于揭示一系列復(fù)雜的量子過程，包括量子力學(xué)和材料性質(zhì)之間的聯(lián)系以及物質(zhì)的新相態(tài)。同時(shí)，它也將有助解決現(xiàn)實(shí)世界中復(fù)雜的優(yōu)化問題。目前，該系統(tǒng)的詳細(xì)研究結(jié)果已發(fā)表在 11 月 30 日的《自然》雜志上。
這個(gè)系統(tǒng)是迄今為止最大的量子系統(tǒng)之一，有超過 50 個(gè)相干量子比特包含其中。研究者說到，該模擬器的最大成功就在于其有效結(jié)合了大尺度系統(tǒng)與高維度的量子相干性。
另外，在同一期《自然》雜志上，馬里蘭大學(xué)聯(lián)合量子研究所的一個(gè)小組也描述了一個(gè)相似大小的用激光控制的冷極化離子系統(tǒng)。總的看來，這些互補(bǔ)的研究進(jìn)展都將成為邁向大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的重要一步。
“所有的事情都發(fā)生在一個(gè)小小的真空室里，里面非常稀薄的原子蒸汽可被冷卻到接近絕對(duì)零度”，Lukin 說到，“當(dāng) 100 束左右的激光穿過蒸汽云時(shí)，每一束激光都充當(dāng)著一個(gè)勢(shì)阱。這些光束是如此的緊密地聚焦在一起，以致它們最多只能捕獲到一個(gè)原子。而研究樂趣也從此開始。”
圖 | 量子模擬器中用于捕獲原子的激光器
研究人員利用顯微鏡可實(shí)時(shí)采集被捕獲原子所構(gòu)成的圖像，然后根據(jù)所需要輸入的模式將它們進(jìn)行特定排列。
Lukin 教授實(shí)驗(yàn)室的博士后，論文的共同作者 Ahmed Omran 說到：“我們用一種非常可控的方式來排列組合這些原子。從一個(gè)隨機(jī)的模式開始，然后通過變換勢(shì)阱的位置就能使得原子被排列到所需要的特定集群中去。”
而當(dāng)研究人員開始向系統(tǒng)中注入能量時(shí)，原子間就開始相互作用。Lukin 解釋到，這些相互作用能給系統(tǒng)賦予量子特性。
“真正意義上來講，只有原子相互作用了，才能認(rèn)為是開始執(zhí)行計(jì)算了”，Omran 說到，“本質(zhì)上說，當(dāng)我們用激光激發(fā)系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)原子就會(huì)做出相對(duì)應(yīng)的自適應(yīng)行為。不過這種自適應(yīng)并非簡(jiǎn)單的用激光在某處捕獲 1 個(gè)或 0 個(gè)原子，而是利用這種原子自適應(yīng)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，最后我們?cè)賹?duì)結(jié)果進(jìn)行測(cè)量。”
Lukin 和他的同事們表示，這些測(cè)量結(jié)果可以解釋那些傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)幾乎不可能進(jìn)行建模的復(fù)雜量子力學(xué)現(xiàn)象。
“為什么你已經(jīng)有一個(gè)抽象的模型，也知道其中有一定數(shù)量的粒子進(jìn)行著某些相互作用，但你還是不能坐在電腦前進(jìn)行模擬呢？”論文的共同作者 Alexander Keesling 拋出問題并解釋到，“問題的關(guān)鍵在于這些相互作用是量子的，如果系統(tǒng)尺寸過大的話，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存和計(jì)算能力將很快耗盡，也就無法實(shí)現(xiàn)計(jì)算模擬。因而在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上模擬的話，就必須要把系統(tǒng)限制在很小的尺寸，因此帶來的不足是系統(tǒng)的許多參量將被限制。而我們解決這個(gè)問題的方法是，直接用所需模擬的系統(tǒng)的物理規(guī)則來重新構(gòu)建粒子問題。而這就是為什么我們稱其為量子模擬器的原因所在。”
盡管傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)可以模擬小型量子系統(tǒng)，但其仍舊不大可能模擬像量子模擬器這樣的包含 51 個(gè)量子比特的系統(tǒng)。
Keesling 補(bǔ)充到:“對(duì)于較大系統(tǒng)的模擬，我們沒有可進(jìn)行比較的簡(jiǎn)單參考。因而讓我們的模擬器先進(jìn)行小系統(tǒng)模擬來驗(yàn)證結(jié)果的正確性也是相當(dāng)重要。”
Lukin 實(shí)驗(yàn)室的博士后，論文的另一位作者 Hannes Bernien 說到:“一開始所有的原子都處于經(jīng)典的狀態(tài)，而最后我們讀取到的也是一連串由 0 和 1 構(gòu)成的經(jīng)典比特。但原子的經(jīng)歷的中間過程其實(shí)是復(fù)雜的量子態(tài)。如果存在一個(gè)很大的錯(cuò)誤率的話，量子態(tài)就會(huì)塌縮到一個(gè)經(jīng)典狀態(tài)。”
Bernien 解釋到：“量子相干態(tài)是原子系統(tǒng)可作為一個(gè)模擬器的關(guān)鍵，讓模擬器成為一個(gè)頗具價(jià)值的計(jì)算工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜量子現(xiàn)象進(jìn)行洞察和揭示并執(zhí)行最終有用的相關(guān)運(yùn)算。另外，利用這個(gè)系統(tǒng)，研究者對(duì)于不同類型的量子相轉(zhuǎn)變問題（量子相變）也獲得了一些獨(dú)特的見解。”
Lukin 談到：“這一系統(tǒng)或許有助于揭示一些新的、奇特的物質(zhì)形態(tài)。通常，對(duì)于物質(zhì)的狀態(tài)，我們一般會(huì)談平衡態(tài)，但是一些非常有趣的新的物質(zhì)狀態(tài)可能會(huì)遠(yuǎn)離平衡態(tài)，并且這在量子領(lǐng)域確實(shí)有相當(dāng)大的可能性存在。而這將是一個(gè)全新的研究領(lǐng)域。”
Lukin 表示，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這些新物質(zhì)態(tài)的存在的證據(jù)。在對(duì)新系統(tǒng)進(jìn)行的第一次實(shí)驗(yàn)中，研究小組發(fā)現(xiàn)了一個(gè)相干的非平衡狀態(tài)，并且能在很長一段時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。
Lukin 認(rèn)為，未來幾年，量子計(jì)算機(jī)將被用來認(rèn)識(shí)和研究這些物質(zhì)的非平衡態(tài)。而另一個(gè)有趣的研究方向?qū)⑸婕暗氖墙鉀Q復(fù)雜的優(yōu)化問題。
事實(shí)證明，通過編程原子位置和它們之間的交互，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一些非常復(fù)雜的問題進(jìn)行編碼。在這樣的系統(tǒng)中，一些量子算法相比經(jīng)典計(jì)算或許具有更好的表現(xiàn)，不過現(xiàn)在還不清楚是否真如所愿，因?yàn)槲覀兡壳斑€無法用經(jīng)典的方法來測(cè)試他們。
但是，量子計(jì)算的全新領(lǐng)域即將到來，到時(shí)我們就可以利用真正意義上的包含 100 多個(gè)量子比特的的量子計(jì)算機(jī)來對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。從科學(xué)角度來說，這將是振奮人心的。
這項(xiàng)研究的其他合著者包括：訪問科學(xué)家 Sylvain Schwartz，哈佛大學(xué)研究生 Harry Levine 與 Soonwon Choi，研究助理 Alexander S. Zibrov 和 Manuel Endres 教授。研究得到了美國國家科學(xué)基金會(huì)、超冷原子研究中心、陸軍研究辦公室以及 Vannevar Bush 教員獎(jiǎng)學(xué)金的資助。
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讀
美國哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種特殊的量子計(jì)算機(jī)，也稱為量子模擬器，用于操作物質(zhì)的量子位。它可以通過激光捕獲超冷的銣原子，控制51個(gè)原子或量子位之間的交互，并以特定順序組織它們，然后利用量子機(jī)制展開必要的計(jì)算。
背景
即便對(duì)于世界上最強(qiáng)大的經(jīng)典計(jì)算機(jī)來說，有些非常復(fù)雜的計(jì)算仍需要花費(fèi)非常長的時(shí)間。然而從理論上說，量子計(jì)算機(jī)卻可以勝任這種非常復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。之所以量子計(jì)算機(jī)可以做到，是因?yàn)樗鼡碛小傲孔游弧薄?/p>
普通的經(jīng)典二進(jìn)制計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)信息用的是：比特位（用0和1）。而量子計(jì)算機(jī)則是通過量子位表示量子信息。簡(jiǎn)單說，量子位是一個(gè)雙態(tài)量子系統(tǒng)（例如：光子偏振態(tài)或電子自旋態(tài)等等）。而關(guān)鍵在于，量子位可能同時(shí)處于“即是0和又是1”的狀態(tài)。
然而，科學(xué)家實(shí)現(xiàn)完全可操作的量子計(jì)算機(jī)存在的最大障礙就是：如何讓量子位相互之間交互，而又不受周圍環(huán)境影響。據(jù)麻省理工學(xué)院科學(xué)家 Vuletic 稱，當(dāng)與環(huán)境發(fā)生交互時(shí)，量子的東西非常容易變成經(jīng)典的，所以量子位需要與外界隔絕。從另外一方面說，它們需要與另外一個(gè)量子位保持強(qiáng)烈交互。
某些研究小組采用離子或者帶電原子作為量子位，構(gòu)建量子系統(tǒng)。他們采用電場(chǎng)囚禁或者隔離離子；離子一旦被囚禁，會(huì)在相互之間強(qiáng)烈地交互。但是，這些交互大多數(shù)會(huì)受到強(qiáng)烈排斥，就像相同方向的磁體一樣，因而難以控制，特別是在許多離子系統(tǒng)中。
另外一些研究人員正在通過實(shí)驗(yàn)研究超導(dǎo)量子位，它是具有量子狀態(tài)的人造原子。但Vuletic 稱，這些人造量子位相對(duì)于實(shí)際的原子，還是會(huì)具有一些缺點(diǎn)。因?yàn)樽匀恢械拿總€(gè)原子與其同類的其他原子是相同的，但手工制造它們時(shí)，由于制造工藝影響，就會(huì)產(chǎn)生不同的過度頻率、耦合等等。
創(chuàng)新
針對(duì)上述問題，科學(xué)家們采用了一個(gè)新方法來構(gòu)建量子系統(tǒng)，即采用中性的原子（原子不帶電荷）作為量子位。和離子不同，中性的原子不會(huì)相互排斥，從根本上說它們具有相同的特性，與人工制造出來的超導(dǎo)量子位不同。
最近在哈佛物理系實(shí)驗(yàn)室，哈佛大學(xué)教授 Mikhail Lukin、Markus Greiner和麻省理工學(xué)院教授 Vladan Vuletic 領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種特殊的量子計(jì)算機(jī)，也稱為量子模擬器，用于操作物質(zhì)的量子位。
（圖片來源：Jon Chase/Harvard）
11月30日發(fā)表于《自然》雜志的論文描述了該系統(tǒng)，它將激光器成功地調(diào)諧為陷阱，通過激光捕獲超冷的銣原子，控制51個(gè)原子或者量子位之間的交互，并以特定順序組織它們，然后利用量子機(jī)制展開必要的計(jì)算。
（圖片來源：Christine Daniloff/MIT）
在《自然》雜志的同一期刊上，馬里蘭大學(xué)聯(lián)合量子研究所的科研團(tuán)隊(duì)也描述了一種類似尺寸的冷帶電粒子，同樣也是通過激光控制。這些量子研究進(jìn)展一并構(gòu)成了通往大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的重要步驟。
技術(shù)
研究人員生成了由51個(gè)原子的組成的鏈，對(duì)于它們進(jìn)行編程，引起量子相變，使鏈中的原子都被激活。該模式代表的磁性狀態(tài)稱為“反鐵磁性物質(zhì)”，在其中每個(gè)原子或分子都是對(duì)齊的。
這種51個(gè)原子陣列并不是一個(gè)普通的量子計(jì)算機(jī)，它理論上可以解決任何計(jì)算問題。這個(gè)量子位系統(tǒng)可以模擬特定問題或者求解特定方程式，比經(jīng)典計(jì)算機(jī)的處理速度更快。
例如，團(tuán)隊(duì)可以重新配置原子的模式，模擬并研究物質(zhì)的新狀態(tài)或者量子糾纏現(xiàn)象。這種新的量子模擬器也可以用于解決優(yōu)化算法問題，例如旅行商問題。旅行商問題是指：理論商的旅行商必須求解出在給定的城市列表旅行的最短路徑。類似的問題出現(xiàn)在許多研究領(lǐng)域，例如DNA測(cè)序、將烙鐵頭自動(dòng)移動(dòng)到焊接點(diǎn)、沿著節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)包路由等。
這類問題對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)來說非常困難，而量子計(jì)算機(jī)正好可以解決。量子模擬器可以正確地模擬此類問題，因此優(yōu)化算法問題特別需要量子模擬器來解決。
Lukin 表示，一切都發(fā)生小型真空室中，在那里有非常稀薄的原子蒸汽，接近于絕對(duì)零度。當(dāng)研究人員聚焦100條激光光線穿透這片云，每一條光線就像一個(gè)陷阱。這些光線密集地聚焦，捕獲一個(gè)原子，或者一個(gè)也抓不到；它們無法抓住兩個(gè)。這一點(diǎn)正是有意思的地方。
（圖片來源：Jon Chase/Harvard）
研究人員使用顯微鏡實(shí)時(shí)拍攝了捕捉到的原子模式，然后以任意模式組織它們并作為輸入。 Lukin 實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員、論文的合著者 Ahmed Omran 表示，他們以一種非常受控的方式集結(jié)原子，從一種無規(guī)則模式開始，決定哪個(gè)陷阱需要去哪里，將它們安排到期望的集群中。
隨著研究人員開始將能量供給到系統(tǒng)中，原子之間開始相互交互。Lukin稱，這些交互讓系統(tǒng)具有量子特性。Omran 表示，他們讓原子之間相互交互，這才是真正執(zhí)行計(jì)算的時(shí)候。從根本上說，隨著他們通過激光激發(fā)該系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行自組織。這并不代表原子必須是1或者0，然而他們可以通過向原子投射光線簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)。他們要做的是讓原子進(jìn)行計(jì)算，然后再測(cè)量結(jié)果。
價(jià)值
這種系統(tǒng)不僅可用于闡明一系列復(fù)雜的量子過程，包括量子機(jī)制和材料特性之間關(guān)系，還可用于研究物質(zhì)的新狀態(tài)，以及解決現(xiàn)實(shí)世界復(fù)雜的算法優(yōu)化問題。
研究人員稱，系統(tǒng)結(jié)合了大尺寸和高度的量子相干性，成為了一項(xiàng)非常重要?jiǎng)?chuàng)新成果。它具有超過50個(gè)相干的量子位，也是目前為止通過單獨(dú)組裝和測(cè)量創(chuàng)造出的最大量子系統(tǒng)。
Bernien 稱，相干量子狀態(tài)讓系統(tǒng)可以像模擬器一樣工作，也讓機(jī)器成為一個(gè)非常有價(jià)值的工具，加深他們對(duì)于復(fù)雜量子現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，并且展開有用的運(yùn)算。這些系統(tǒng)讓研究人員加深了對(duì)于不同類型量子相位之間轉(zhuǎn)變即“量子相變”的認(rèn)識(shí)。Lukin 表示，它將有利于闡述新奇的物質(zhì)形式。
他說，通常當(dāng)你談到物質(zhì)的狀態(tài)，你談到的物質(zhì)處于平衡之中。但是物質(zhì)有一些非常有意思的遠(yuǎn)離平衡的新狀態(tài)會(huì)發(fā)生，而且在量子范疇有許多可能性存在。這完全是新的前沿領(lǐng)域。
Lukin 表示，研究人員已經(jīng)得到了這些新型量子模擬器誕生，具有51個(gè)量子位！狀態(tài)的證據(jù)。在通過新系統(tǒng)進(jìn)行的其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)相干的非平衡態(tài)可以在相當(dāng)長的時(shí)間中保持穩(wěn)定。他說：
“未來幾年，量子計(jì)算機(jī)將用于實(shí)現(xiàn)和研究物質(zhì)的非平衡態(tài)。另外一種有趣方向包括解決復(fù)雜的優(yōu)化問題。事實(shí)證明，某人可以通過編程原子位置以及它們之間的交互，編碼非常復(fù)雜的問題。在此類系統(tǒng)中，一些被提議的量子算法可能勝過經(jīng)典機(jī)器。但是還不清楚它們是否可以做到，因?yàn)槲覀冎皇峭ㄟ^經(jīng)典地方式測(cè)試了它們。但是，我們即將可以在擁有100個(gè)可控量子位的全量子機(jī)器上進(jìn)行測(cè)試。從科學(xué)的意義上說，這非常令人振奮。”
關(guān)鍵字
量子、量子計(jì)算機(jī)、量子位
參考資料
【1】https://news.harvard.edu/gazette/story/2017/11/researchers-create-new-type-of-quantum-computer/
【2】http://news.mit.edu/2017/scientists-demonstrate-one-largest-quantum-simulators-yet-51-atoms-1129
【3】Hannes Bernien, Sylvain Schwartz, Alexander Keesling, Harry Levine, Ahmed Omran, Hannes Pichler, Soonwon Choi, Alexander S. Zibrov, Manuel Endres, Markus Greiner, Vladan Vuleti?, Mikhail D. Lukin. Probing many-body dynamics on a 51-atom quantum simulator. Nature, 2017; 551 (7682): 579 DOI: 10.1038/nature24622
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