来自哈佛-麻省理工学院超冷原子中心(Harvard-MIT Center for ultra – cold Atoms)和其他一些大学的物理学家团队开发了一种特殊类型的量子计算机，称为可编程量子模拟器，能够使用256个量子比特。
该系统标志着朝着建造大规模量子机器的方向迈出了重要一步，量子机器可以用来揭示一系列复杂的量子过程，并最终帮助在材料科学、通信技术、金融和许多其他领域带来现实世界的突破，克服了当今最快的超级计算机都无法克服的研究障碍。量子位是量子计算机运行的基本构件，也是其巨大处理能力的来源。
哈佛量子计划(Harvard Quantum Initiative)的联合主任、乔治·瓦斯默·莱弗里特(George Vasmer Leverett)物理学教授米哈伊尔·鲁金(Mikhail Lukin)说，“这将该领域带入一个迄今为止没有人涉足过的新领域。”鲁金是今天发表在《自然》(Nature)杂志上的这项研究的资深作者之一。“我们正在进入量子世界的一个全新领域。”
通过将它们按顺序排列并拍摄单个原子的图像，研究人员甚至可以制作有趣的原子视频。由Lukin集团提供
Sepehr Ebadi是艺术与科学研究生院的一名物理系学生，也是这项研究的第一作者。根据他的说法，系统前所未有的规模和可编程性使其处于量子计算机竞赛的前沿，它利用极小尺度下物质的神秘特性来极大地提高处理能力。在适当的情况下，量子位的增加意味着该系统可以比标准计算机运行的经典位存储和处理指数级多的信息。
“256量子位可能产生的量子态数量超过了太阳系原子的数量，”Ebadi说，解释了这个系统的巨大规模。
这个模拟器已经允许研究人员观察到一些以前从未在实验上实现过的奇异的物质量子态，并进行量子相变研究，其精确性足以作为磁在量子水平上如何工作的教科书范例。
这些实验提供了关于量子物理基础材料特性的有力见解，并可以帮助科学家们设计具有奇异特性的新材料。
该项目使用了研究人员在2017年开发的一个平台的显著升级版本，该平台能够达到51量子位的大小。这个较旧的系统允许研究人员捕捉超冷的铷原子，并使用一种称为光镊的一维单独聚焦激光束阵列将它们按特定的顺序排列。Dolev Bluvstein使用420毫米激光来控制和纠缠里德堡原子。
这个新系统允许原子在二维光镊阵列中组装。这将可实现的系统大小从51个量子位增加到256个。利用镊子，研究人员可以将原子排列成无缺陷的模式，并创造出可编程的形状，如正方形、蜂窝状或三角形晶格，以设计量子位元之间的不同相互作用。
Ebadi说:“这个新平台的主要设备是一种被称为空间光调制器的设备，它被用来塑造一个光波前，从而产生数百个单独聚焦的光镊光束。”“这些设备本质上与计算机投影仪中用于在屏幕上显示图像的设备相同，但我们已经将它们改造成我们的量子模拟器的关键组件。”
原子在光镊中的初始载荷是随机的，研究人员必须移动原子以使其排列成目标几何形状。研究人员使用第二组移动的光镊将原子拖到它们想要的位置，消除了初始的随机性。激光让研究人员完全控制原子量子位元的位置及其相干量子操纵。
该研究的其他资深作者包括哈佛大学教授苏比尔·萨赫德夫和马库斯·格雷纳，他们与麻省理工学院教授弗拉丹Vuletić一起参与了该项目，还有来自斯坦福大学、加州大学伯克利分校、奥地利因斯布鲁克大学、奥地利科学院、以及波士顿的QuEra计算公司。
“我们的工作是建造更大更好的量子计算机的一场非常激烈、引人注目的全球竞赛的一部分，”哈佛大学(Harvard)物理学研究助理、论文作者之一王图(Tout Wang)说。“我们的整体努力(除了我们自己的努力外)包括顶级学术研究机构的参与，以及谷歌、IBM、亚马逊(Amazon)和许多其他机构的大型私人投资。”
研究人员目前正致力于通过改进激光对量子位的控制和使系统更具可编程性来改进该系统。他们也在积极探索如何将该系统用于新的应用，从探索奇异的量子物质形式到解决可以在量子比特上自然编码的具有挑战性的现实问题。
“这项工作为许多新的科学方向提供了可能，”Ebadi说。“我们离这些系统能做的事情的极限还很远。”
这项工作得到了超冷原子中心、国家科学基金会、万尼瓦尔·布什学院奖学金、美国能源部、海军研究办公室、陆军研究办公室MURI和DARPA ONISQ项目的支持。
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