256量子比特！哈佛开发了有史以来规模最大的模拟器

光子盒研究院出品

来自哈佛-麻省理工学院超冷原子中心和其他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，能够操作256个量子比特，这是有史以来具有最多量子比特的机器。256个量子比特产生的量子态数量(2²⁵⁶)比太阳系中的原子数量还要多。

模拟器已经让研究人员观察到了几种以前从未在实验上实现过的奇异物质量子态，并进行了精确的量子相变研究。这项研究发表在7月7日的《自然》杂志上。文章的通讯作者、哈佛大学物理学教授、哈佛量子计划联合主任Mikhail Lukin表示：“我们正在进入量子世界的全新领域。”

Dolev Bluvstein(左起)、Mikhail Lukin和Sepehr Ebadi

这个量子模拟器在研究人员2017年开发的51量子比特系统的基础上进行升级。研究人员使用旧的系统能够捕获超冷铷原子，并使用一种称为光镊的一维单独聚焦激光束阵列按特定顺序排列它们。新的系统则采用二维阵列，将可实现的系统规模从51个量子比特增加到256个量子比特。

使用光镊，研究人员可以将原子排列成无缺陷的图案，并创建可编程的形状，如正方形、蜂窝状或三角形晶格，以设计量子比特之间的不同相互作用。

激光冷却的原子

研究人员采用了一种叫做空间光调制器(spatial light modulator)的装置，用于形成一个光学波阵面(optical wavefront)，来产生数百个单独聚焦的光镊光束。

将原子初始加载到光镊中是随机的，必须移动原子，将它们排列成目标几何形状。研究人员使用第二组移动光镊将原子拖到他们想要的位置，消除最初的随机性。激光使研究人员能够完全控制原子量子比特的定位及其相干量子操作。

强相互作用里德堡原子的可编程二维阵列。a.原子被加载到光镊陷阱的二维阵列中，并通过第二组移动光镊重新排列成无缺陷图案。420nm和1013nm的激光驱动每个原子基态之间的相干双光子跃迁。b.初始随机加载原子的荧光图像，随后重新排列成无缺陷的15×15(即225个原子)正方形阵列。初始化之后，原子在激光激发下按照哈密顿量进行相干演化，最后，每个原子的状态，被读出被激发到r⟩的原子被检测为丢失，并用红色圆圈标记。c&d.蜂窝状晶格和三角形晶格的相似演化导致里德堡激发的相似有序相分别填充1/2和1/3。

哈佛大学团队表示，该系统标志着向制造大规模量子机器迈出了重要一步，这些机器可以用来揭示许多复杂的量子过程，并最终帮助实现材料科学、通信技术、金融和许多其他领域的现实突破，克服当今即使是最快的超级计算机也无法克服的研究障碍。

研究人员目前正致力于通过改进激光对量子比特的控制并使系统更具可编程性来改进系统。他们还积极探索如何将该系统用于新的应用，从探索量子物质的奇异形式到解决具有挑战性的现实问题，这些问题可以自然地编码在量子比特上。

参考链接：

[1]https://doi.org/10.1038/s41586-021-03582-4

[2]https://news.harvard.edu/gazette/story/2021/07/harvard-led-physicists-create-256-qubit-programmable-quantum-simulator/

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