哈佛研究人员（从左到右）Dolev Bluvstein、Mikhail Lukin 和 Sepehr Ebadi 开发了一种可编程量子模拟器。Ebadi 正在调整允许他们创建可编程光学镊子的设备。（来源：罗斯林肯/哈佛员工摄影师）
物理学家展示了一种大规模、可编程的量子模拟器，具有精确排列的 256 个量子位 (qubits) 二维阵列。该系统由哈佛大学领导的团队设计，使用高度聚焦的激光束阵列来捕获单个原子并将它们拖到理想的排列中。研究人员在《自然》杂志上描述的这种设计标志着在设计更大、更可靠的量子计算机的全球竞赛中向前迈出了关键一步，并可能在不久的将来显着提高它们的适用性。
通过量子计算的最新进展，研究人员最近展示了可编程量子系统的潜力，能够执行深度复杂的模拟和计算。这项技术的一个有前途的平台可以在中性、超冷原子的排列中找到，这些原子单独被困在光镊阵列中。由于它们的量子态相互作用，这些原子可用于包括大规模纠缠、量子逻辑门和实现光学原子钟在内的操作。
2017 年，该团队开发了一个包含 51 个超冷铷原子的平台，使用一维光镊阵列按特定顺序排列。在这一成就的基础上，研究人员在他们的最新研究中旨在开发一种更强大的二维量子位排列。尽管已经在二维和三维阵列中捕获并重新排列了大量原子，但对包含 100 多个量子位的可编程强相互作用系统的相干操作仍然更具挑战性。
为了克服这些困难，主要作者Sepehr Ebadi及其同事使用空间光调制器来塑造光学二维波前，将光转换为高度聚焦的均匀二维激光束阵列，用作光镊。在用随机排列的超冷铷原子加载光束后，他们然后使用第二组可调光镊将原子拖入无缺陷的反铁磁排列——其中每个原子的磁矩与每个原子的磁矩完全相反。它的邻居。
最后，研究人员使用相干光束将原子激发到它们的里德堡态。在这些状态下，原子的外层电子与其主核相距很远，确保了单个量子位之间的强、高度可调的相互作用。此外，他们将原子排列成几种不同形状的阵列，包括方形、蜂窝和三角形晶格。这些配置中的每一个都具有不同类型的量子位之间的交互。
总而言之，该技术使该团队能够生产出高度可编程的量子模拟器，其中包含多达 256 个量子位——它们一起可以占据大量可能的量子态。
在他们未来的研究中，物理学家的目标是进一步升级他们的设置，通过更好地控制每个单独的镊子光束并使系统更具可编程性。这些改进可以为各种应用铺平道路：包括研究强相关量子物质的先进新方法，设计适合运行高效量子算法的硬件，以及解决计算和测量中具有挑战性的现实问题。
