麻省理工學院量子電腦首次模擬複雜電磁場
透過在超導量子電腦上模擬磁場，研究人員可以探索材料的複雜特性。量子電腦具有模擬複雜材料的潛力，使研究人員能夠更深入地了解原子和電子之間的相互作用所產生的物理特性。 有朝一日，研究人員可能會因此發現或設計出更好的半導體、絕緣體或超導體，用於製造速度更快、功能更強、能效更高的電子產品。
麻省理工學院的研究人員開發了一種由16個量子位元組成的超導量子處理器，他們可以利用這種處理器產生合成電磁場，從而探索材料的特性。 圖為藝術家對量子處理器的詮釋。 圖片來源：Eli Krantz， Krantz NanoArt
但是，材料中出現的某些現象對使用量子電腦進行模擬具有挑戰性，這就為科學家利用量子硬體探索的問題留下了空白。
為了填補其中的一個空白， 麻省理工學院的研究人員開發了一種在超導量子處理器上產生合成電磁場的技術。 研究小組在一個由16 個量子位元組成的處理器上展示了這項技術。
透過動態控制處理器中16 個量子位元之間的耦合方式，研究人員能夠模擬電子在電磁場中如何在原子間移動。 此外，合成電磁場具有廣泛的可調性，使科學家能夠探索一系列材料特性。
模擬電磁場對於全面探索材料特性至關重要。 未來，這種技術可以揭示電子系統的關鍵特徵，如導電性、極化和磁化。
” 量子電腦是研究材料物理學和其他量子力學系統的強大工具。”麻省理工學院博士後、量子模擬器論文的第一作者伊蘭-羅森（Ilan Rosen）說：”我們的工作使我們能夠模擬更多讓材料科學家著迷的豐富物理學。
論文的資深作者是亨利-埃利斯-沃倫（Henry Ellis Warren）電機工程與電腦科學和物理學教授、量子工程中心主任、工程量子系統小組組長、電子研究實驗室副主任威廉-奧利弗（ William D. Oliver）。 電子工程和電腦科學系、物理係以及麻省理工學院林肯實驗室的其他人員也加入了奧利佛和羅森的研究團隊。 這項研究最近發表在Nature Physics。
量子仿真器
IBM 和Google等公司正在努力建造大型數位量子計算機，它們有望透過更快地運行某些演算法來超越經典計算機。
但這並不是量子計算機的全部功能。 量子比特的動力學及其耦合也可以精心構建，以模仿電子在固體原子間移動時的行為。
麻省理工學院研究科學家、論文共同作者杰弗裡-格羅弗（Jeffrey Grover）說：”這引出了一個顯而易見的應用，那就是將這些超導量子計算機用作材料的模擬器。”
研究人員可以利用較小規模量子電腦中的量子位元作為類比設備，在受控環境中複製材料系統，而不是試圖建造大型數位量子電腦來解決極其複雜的問題。
“通用數位量子模擬器大有可為，但距離實現還很遙遠。類比模擬是另一種可能在短期內產生有用結果的方法，特別是在研究材料方面。” 羅森解釋說：”這是量子硬體的直接且強大的應用。 “利用模擬量子模擬器，我可以有意設定一個起點，然後觀察隨著時間的變化而發生的變化。 “
儘管量子計算與材料十分相似，但材料中的一些重要成分並不能輕易反映在量子計算硬體上。 其中一個因素就是磁場。
在材料中，電子”生活”在原子軌道中。 當兩個原子相互靠近時，它們的軌道會重疊，電子可以從一個原子”跳”到另一個原子。 在存在磁場的情況下，這種跳躍行為會變得更加複雜。
在超導量子電腦上，微波光子在量子位元之間的跳變被用來模擬電子在原子之間的跳變。 但是，由於光子不像電子那樣是帶電粒子，因此光子的跳躍行為在物理磁場中將保持不變。
由於他們無法在模擬器中直接打開磁場，麻省理工學院的團隊採用了一些技巧來合成磁場的效果。
調整處理器
研究人員調整了處理器中相鄰量子位元的耦合方式，以產生與電磁場在電子中產生的複雜跳變行為相同的效果。
為此，他們透過應用不同的微波訊號，稍微改變了每個量子位元的能量。 通常，研究人員會將量子位元設定為相同的能量，這樣光子就能從一個量子位元跳到另一個量子位元。 但在這項技術中，他們動態地改變了每個量子位元的能量，以改變它們之間的溝通方式。
透過精確調製這些能階，研究人員使光子能夠以電子在磁場中原子間跳躍的複雜方式在量子位元之間跳躍。
此外，由於他們可以對微波訊號進行微調，因此可以模擬一系列不同強度和分佈的電磁場。
研究人員進行了多輪實驗，以確定為每個量子位元設定何種能量、調製的強度以及使用的微波頻率。
羅森說：”最具挑戰性的部分是找到每個量子位元的調製設置，從而使所有16 個量子位元同時工作。”
一旦找到了正確的設置，他們就證實了光子的動力學支持構成電磁學基礎的幾個方程式。 他們也示範了”霍爾效應”，這是存在於電磁場中的傳導現象。這些結果表明，他們合成的電磁場表現得與真實電磁場一樣。今後，他們可以利用這種技術精確研究凝聚態物理學中的複雜現象，例如材料從導體變成絕緣體時發生的相變。
” 我們的模擬器有一個很好的特點，那就是我們只需改變調製幅度或頻率，就能模擬出不同的材料系統。” 奧利佛說：” 透過這種方式，我們可以掃描許多材料特性或模型參數，而不必每次都實際製造一個新裝置。
“雖然這項工作只是合成電磁場的初步演示，但它為許多潛在的發現打開了大門。量子電腦的美妙之處在於，我們可以準確地查看每個量子位元上每時每刻發生的事情，因此我們可以掌握所有這些資訊。 “
編譯自/ ScitechDaily