来源：DeepTech深科技
你见过用原子制作的视频吗？
图 | 原子视频（来源：哈佛大学）原子的半径非常微小，大约在 10^-15 数量级，在实验上将 256 个原子按照设计需要，排列成任意的三维形状，并进行相干操作演示量子模拟是一件非常不可思议的事情。
能把这么小的微粒做成视频确实非常少见，而这正是哈佛 - 麻省理工学院超冷原子中心（Harvard-MIT Center for ultra - cold Atoms）及合作团队的成果体现，该成果基于他们最近宣布的 “有史以来最大的” 256 个量子比特模拟器。
256 量子比特模拟器的容量有多少？据研究团队介绍，这么大的模拟器能产生的量子态数量，甚至会超过太阳系原子的数量。
谈及该研究，2020 年曾在Nature上发表过类似成果的中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室教授苑震生告诉 DeepTech：“这项研究显示，人们对微观粒子的量子调控能力越来越强，可以形成中等尺度的量子模拟器，制备、调控和观测复杂的强关联量子物态，解决经典超级计算机难以处理的量子材料问题。”
图 | 该团队开发出一种量子计算机，名字叫可编程量子模拟器。图为研究人员正在调试设备，以便制造可编程光镊（来源：哈佛大学）解决经典超算的量子材料处理难题
当地时间 7 月 7 日，相关论文以《256 原子可编程量子模拟器上的物质量子相》（Quantum phases of matter on a 256-atom programmable quantum simulator）为题发表在Nature上。来自一支法国团队的类似论文也背靠背地发表在Nature上。
图 | 相关论文（来源：Nature）尽管人们在可编程量子系统领域内，尤其是在模拟和计算方面已经取得一些成果。比如目前最新可编程量子系统已能达到含有五十多个被俘获离子的离子阱系统或超导量子比特。
另外，76 个光子的高斯波色采样已被用来实现量子霸权执行玻色子采样，具有数百个原子的光学晶格正被用于探索哈伯德模型，更大尺度的伊辛自旋系统已经被基于超导量子比特的量子计算机模拟。但它们都有一个共同的缺点，即缺乏探测量子物质所必需的相干性。而这正是该研究要解决的主要痛点。
近年来，中性原子阵列已成为实现可编程量子系统的一个 “潜力股” 平台。基于里德堡态中的冷原子，原子阵列被用于探索一维和二维系统中的量子动力学，从而去高保真度大规模的量子纠缠系统，进而去执行并行量子逻辑操作，最终可实现基于囚禁中性原子阵列的量子计算机系统。
图 | 通过淬火动力学分析条纹相的相关性和相干性（来源：Nature）虽然大量的原子被俘获、并能重新以二维方式和三维方式重新排列，但是使用同相位的方式去操作一个由 100 个粒子构成的可编程、强相互作用的系统，仍然是一个巨大考验。
这也让本次成果显得尤为宝贵，该论文的通讯作者、哈佛大学物理学教授米哈伊尔・鲁金（Mikhail Lukin）也表示：“这项研究将该领域推到了一个前所未有的地方。”
图 | 哈佛大学物理学教授米哈伊尔・鲁金（Mikhail Lukin）（来源：哈佛大学）据了解，哈佛量子计划正是由米哈伊尔・鲁金共同发起。本次研究中，他和团队还演示了几个新的量子相，并定量探测了相关的相变。
该校艺术与科学研究生院的物理系学生塞佩尔・埃巴迪（Sepehr Ebadi）担任论文一作，他表示由于该系统具备前所未有的规模和可编程性，这也让本次量子计算机的性能位居业内前沿。
通过利用极小尺度下的物质特性，该量子计算机可极大提高处理能力。在一定情况下，量子比特的增加，意味着相比于标准计算机，它能处理更高级别的信息。
图 | 二维正方晶格的相图（来源：Nature）通过研究中的模拟器，研究人员可观察到一些此前从未在实验室内实现过的物质量子态，并能对其进行量子相变研究，其精确性足以成为磁性在量子层面上操控的教科书范例。把原子按顺序排列时，竟然还能拍摄单个原子的图像，如本文开头所示，研究人员甚至能制作趣味原子视频。
研究中，该团队使用的是 2017 年开发的平台的升级版——即第二代平台，第二代平台可达 51 量子比特。通过该平台，研究人员能捕捉到超冷状态下的铷原子，并能使用一种名为光镊的二维单独聚焦激光束阵列，去将这些铷原子按特定顺序进行排列。
相关实验也是在第二代平台上进行的，所涉及的新装置使用空间光调制器（SLM），从而可在真空单元中形成一个大型二维光镊阵列，这时静态镊子阵列会从磁光阱中加载单独的87Rb原子，1000 个光镊的均匀加载概率为 50-60%。
使用移动光镊，可将最初加载的原子重新排列到可编程、无缺陷的模式，这些光镊会被一对交叉的声光偏转器（AODs）引导到任意二维位置。
研究人员可借此创造出可编程形状，如正方形、蜂窝状或三角形晶格。通过设计不同的形状，量子比特元之间会呈现出不同的相互作用。而针对多达数百个原子的阵列，该过程总耗时 50-100ms，导致填充的原子阵列的填充率能达到 99%。
图 | 强相互作用的里德堡原子的可编程二维阵列（来源：Nature）另外，本次使用的新平台，可让研究人员用光学笔将原子分组成二维网络，这能把系统大小从 51 个量子位增加到 256 个量子位。
（来源：Nature）空间光调制器是本次使用的新平台的主要构成部分，它被用于整形光波前，整形之后即可产生数百个单独聚焦的光镊光束。
由于原子在光镊中的初始载荷是随机的，因此研究人员必须移动原子、以使其排列成目标几何形状。
研究中，他们使用移动光镊将原子拖到想要的位置，这样的好处在于能消除初始随机性。而激光的存在，则能控制原子量子比特元的位置、以及操纵相干量子态。
图 | 研究人员用 420 毫米激光来控制和纠缠里德堡原子（来源：哈佛大学）在处理量子信息时，也可使用多量子比特操作的方法、以及量子纠错和容错控制的协议来探索。该团队的研究方法，也非常适合于实现量子优化和采样的新算法。
该研究还可通过升级真空系统、以及提高光子收集效率进行改进，其中量子相干性可通过使用高能里德堡激光器、和在超精细基态中编码量子比特两种方法来进行增强。而不同原子和分子种类的光镊，也能提供额外的功能，并在量子模拟和计量学中得到新的应用。
本次实验实现了几个新的量子相，并为二维系统中的量子相变提供了见解。这些研究可以沿着几个方向扩展，包括通过量子相变快速淬灭探索非平衡纠缠动力学、尖锐边界系统中表面临界的研究、缺陷晶格上物质的拓扑量子态的研究、晶格规范理论的模拟以及使用超精细编码对更广泛的自旋模型的研究。
图 | 使用棋盘排序的量子模拟器的基准测试（来源：Nature）本次研究的实验表明，二维里德堡原子阵列构成了数百个量子位元可编程量子模拟的强大平台。他们期望未来系统的大小、量子控制保真度和可编程度都可以通过技术改进而大大提高。
哈佛大学物理学研究助理、论文作者之一的 Tout T。 Wang 告诉媒体：“我们的工作是构建更大更好的量子计算机的。。。。。。 全球竞赛的一部分。”
其还表示，除了该团队自己的努力，以及其他顶级学术研究机构的参与，谷歌、IBM、亚马逊和许多其他机构都对该研究进行了大型投资。
目前，研究人员正通过改进激光对量子比特的控制、以及让系统更具可编程性。他们也在积极探索将该系统用于新场景，比如从探索奇异的量子物质形式、到在量子比特上自然编码上解决挑战性难题。
据悉，量子比特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。量子机器可用于揭示一系列复杂的量子过程，并能帮助人类在材料科学、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。
概括来说，本次研究成果给复杂量子物质的研究提出了新途径，为研究奇异量子相、非平衡纠缠动力学和量子算法的硬件熟练实现铺平了道路，标志着人类朝向建造大量子模拟器方向迈出了重要一步。
