麻省理工学院量子计算机首次模拟复杂电磁场

通过在超导量子计算机上模拟磁场，研究人员可以探索材料的复杂特性。量子计算机具有模拟复杂材料的潜力，使研究人员能够更深入地了解原子和电子之间的相互作用所产生的物理特性。 有朝一日，研究人员可能会因此发现或设计出更好的半导体、绝缘体或超导体，用于制造速度更快、功能更强、能效更高的电子产品。

麻省理工学院的研究人员开发出了一种由16个量子比特组成的超导量子处理器，他们可以利用这种处理器产生合成电磁场，从而探索材料的特性。 图为艺术家对量子处理器的诠释。 图片来源：Eli Krantz， Krantz NanoArt

但是，材料中出现的某些现象对使用量子计算机进行模拟具有挑战性，这就给科学家们利用量子硬件探索的问题留下了空白。

为了填补其中的一个空白， 麻省理工学院的研究人员开发了一种在超导量子处理器上产生合成电磁场的技术。 研究小组在一个由 16 个量子位组成的处理器上演示了该技术。

通过动态控制处理器中 16 个量子位之间的耦合方式，研究人员能够模拟电子在电磁场中如何在原子间移动。 此外，合成电磁场具有广泛的可调性，使科学家能够探索一系列材料特性。

模拟电磁场对于全面探索材料特性至关重要。 未来，这种技术可以揭示电子系统的关键特征，如导电性、极化和磁化。

"量子计算机是研究材料物理和其他量子力学系统的强大工具。 "麻省理工学院博士后、量子模拟器论文的第一作者伊兰-罗森（Ilan Rosen）说："我们的工作使我们能够模拟更多让材料科学家着迷的丰富物理学。"

论文的资深作者是亨利-埃利斯-沃伦（Henry Ellis Warren）电气工程与计算机科学和物理学教授、量子工程中心主任、工程量子系统小组组长、电子研究实验室副主任威廉-奥利弗（William D. Oliver）。 电子工程和计算机科学系、物理系以及麻省理工学院林肯实验室的其他人员也加入了奥利弗和罗森的研究队伍。 这项研究最近发表在Nature Physics上。

量子仿真器

IBM 和Google等公司正在努力建造大型数字量子计算机，它们有望通过更快地运行某些算法来超越经典计算机。

但这并不是量子计算机的全部功能。 量子比特的动力学及其耦合也可以精心构建，以模仿电子在固体原子间移动时的行为。

麻省理工学院研究科学家、论文共同作者杰弗里-格罗弗（Jeffrey Grover）说："这引出了一个显而易见的应用，那就是将这些超导量子计算机用作材料的模拟器。"

研究人员可以利用较小规模量子计算机中的量子比特作为模拟设备，在受控环境中复制材料系统，而不是试图建造大型数字量子计算机来解决极其复杂的问题。

"通用数字量子模拟器大有可为，但距离实现还很遥远。 模拟仿真是另一种可能在短期内产生有用结果的方法，特别是在研究材料方面。" 罗森解释说："这是量子硬件的一种直接而强大的应用。"利用模拟量子仿真器，我可以有意设定一个起点，然后观察随着时间的变化而发生的变化。"

尽管量子计算与材料十分相似，但材料中的一些重要成分并不能轻易反映在量子计算硬件上。 其中一个因素就是磁场。

在材料中，电子"生活"在原子轨道中。 当两个原子相互靠近时，它们的轨道会重叠，电子可以从一个原子"跳"到另一个原子。 在存在磁场的情况下，这种跳跃行为会变得更加复杂。

在超导量子计算机上，微波光子在量子位之间的跳变被用来模拟电子在原子之间的跳变。 但是，由于光子不像电子那样是带电粒子，因此光子的跳跃行为在物理磁场中将保持不变。

由于他们无法在模拟器中直接打开磁场，麻省理工学院的团队采用了一些技巧来合成磁场的效果。

调整处理器

研究人员调整了处理器中相邻量子比特的耦合方式，以产生与电磁场在电子中产生的复杂跳变行为相同的效果。

为此，他们通过应用不同的微波信号，稍微改变了每个量子位的能量。 通常，研究人员会将量子比特设置为相同的能量，这样光子就能从一个量子比特跳转到另一个量子比特。 但在这项技术中，他们动态地改变了每个量子位的能量，以改变它们之间的通信方式。

通过精确调制这些能级，研究人员使光子能够以电子在磁场中原子间跳转的复杂方式在量子位之间跳转。

此外，由于他们可以对微波信号进行微调，因此可以模拟出一系列不同强度和分布的电磁场。

研究人员进行了多轮实验，以确定为每个量子比特设置何种能量、调制的强度以及使用的微波频率。

罗森说："最具挑战性的部分是找到每个量子比特的调制设置，从而使所有 16 个量子比特同时工作。"

一旦找到了正确的设置，他们就证实了光子的动力学支持构成电磁学基础的几个方程式。 他们还演示了"霍尔效应"，这是一种存在于电磁场中的传导现象。这些结果表明，他们合成的电磁场表现得与真实电磁场一样。今后，他们可以利用这种技术精确研究凝聚态物理学中的复杂现象，例如材料从导体变为绝缘体时发生的相变。

"我们的仿真器有一个很好的特点，那就是我们只需改变调制幅度或频率，就能模拟出不同的材料系统。 "奥利弗说："通过这种方式，我们可以扫描许多材料特性或模型参数，而不必每次都实际制造一个新装置。"

"虽然这项工作只是合成电磁场的初步演示，但它为许多潜在的发现打开了大门。量子计算机的美妙之处在于，我们可以准确查看每个量子比特上每时每刻发生的事情，因此我们可以掌握所有这些信息。 他补充说："我们的未来令人兴奋。"

编译自/ScitechDaily

DOI: 10.1038/s41567-024-02661-3