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量子模擬器

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在這張量子模擬器晶體的照片中，離子發出螢光，表明量子位都處於相同的狀態（「1」或「0」）。在適當的實驗條件下，離子晶體會自發形成這種近乎完美的三角晶格結構。圖片來源：Britton/NIST
囚禁離子量子模擬器圖解：模擬器的核心是一個二維鈹離子晶體（圖中藍色球體）；每個離子的最外層電子是一個量子位（量子比特，紅色箭頭）。離子被一個叫做彭寧離子阱（未顯示）的裝置中的大磁場所限制。在陷阱內部，晶體順時針旋轉。圖片來源：Britton/NIST

量子模擬器允許以可程式的方式研究量子系統。在這種情況下，模擬器是專門用於提供有關特定物理問題的見解的特殊用途設備。 [1] [2]量子模擬器與通常可程式的「數字」量子計算機形成對比，後者能夠解決更廣泛的量子問題。

通用量子模擬器是由Yuri Manin於 1980 年[3]和Richard Feynman於 1982 年[4]提出的量子計算機。

量子系統可以用圖靈機或量子圖靈機來模擬，因為經典圖靈機能夠模擬通用量子計算機（因此也可以模擬任何更簡單的量子模擬器），這意味著從可計算性理論的角度來看它們是等價的。經典計算機對量子物理的模擬已被證明是低效的。 [5]換句話說，量子計算機在可計算性方面並不比傳統計算機提供額外的能力，但人們懷疑它們可以比傳統計算機更快地解決某些問題，這意味著它們可能屬於不同的複雜度類別，這就是量子圖靈機可用於模擬量子系統的原因。這就是所謂的量子優越性，其核心思想是存在某些問題只有量子圖靈機才能在可行的時間內解決。

量子計算機可以使用與原始系統中粒子數相似的量子比特數來模擬由許多粒子組成的量子系統。 [4]這已經擴展到更大類別的量子系統。 [6] [7] [8] [9]

量子模擬器已經在許多實驗平台上實現，包括超冷量子氣體系統、極性分子、囚禁離子、光子系統、量子點和超導電路等。

解決物理問題

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物理學中的許多重要問題，特別是低溫物理學和多體物理學，仍然不太為人所理解，因為其背後的量子力學極其複雜。傳統計算機（包括超級計算機）不足以模擬僅包含 30 個粒子的量子系統，因為希爾伯特空間的維數會隨著粒子數量的增加而呈指數增長。 [10]我們需要更好的計算工具來理解和合理設計材料，這些材料的性質被認為取決於數百個粒子的集體量子行為。 [2]量子模擬器為理解這些系統的特性提供了另一種途徑。這些模擬器可以清晰地實現特定感興趣的系統，從而可以精確地實現它們的屬性。對系統參數的精確控制和廣泛可調性可以清楚地解開各種參數的影響。

量子模擬器可以解決傳統計算機上難以模擬的問題，因為它們直接利用真實粒子的量子特性。具體來說，他們利用了量子力學的一種稱為疊加的特性，其中量子粒子同時處於兩種不同的狀態，例如，與外部磁場對齊和反向對齊。至關重要的是，模擬器還利用了第二種量子特性，即糾纏，使得即使是物理上分離良好的粒子的行為也能相互關聯。 [2] [11]

最近，量子模擬器已被用來獲得時間晶體[12] [13]和量子自旋液體。 [14] [15]

囚禁離子模擬器

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基於離子阱的系統為模擬量子自旋模型中的相互作用提供了理想的環境。 [16]由包括NIST在內的團隊建造的離子阱模擬器可以設計和控制數百個量子比特之間的相互作用。 [17]之前的努力無法超越 30 個量子比特。該模擬器的功能比以前的設備強10倍。它通過了一系列重要的基準測試，表明它有能力解決傳統計算機無法建模的材料科學問題。

囚禁離子模擬器由數百個鈹離子組成的微小單平面晶體組成，其直徑小於 1 毫米，懸浮在稱為彭寧離子阱的裝置內。每個離子的最外層電子充當微小的量子磁鐵，並用作量子位，即傳統計算機中「1」或「0」的量子等價物。在基準實驗中，物理學家使用雷射束將離子冷卻至接近絕對零度。然後，精心定時的微波和雷射脈衝使量子比特相互作用，模仿實驗室中很難研究的材料的量子行為。儘管這兩個系統表面上看起來不同，但它們的行為在數學上是相同的。通過這種方式，模擬器可以讓研究人員改變天然固體中無法改變的參數，例如原子晶格間距和幾何形狀。

Friedenauer 等人對 2 個自旋進行了絕熱操控，展示了它們分離為鐵磁狀態和反鐵磁狀態。 [18] Kim 等人將囚禁離子量子模擬器擴展到 3 個自旋，其中全局反鐵磁 Ising 相互作用表現出失控現象，並展示了失控與糾纏之間的聯繫[19] ；Islam 等人利用絕熱量子模擬，證明了隨著自旋數從 2 增加到 9，順磁和鐵磁有序之間的相變逐漸增強[20] Barreiro 等人通過與開放庫耦合，創建了一個與最多 5 個捕獲離子相互作用的自旋數字量子模擬器[21] ，Lanyon等人演示了最多 6 個離子的數字量子模擬。 [22] Islam 等人演示了橫向 Ising 模型的絕熱量子模擬，該模型具有可變（長）程相互作用，最多可容納 18 個捕獲離子自旋，並展示了通過調整反鐵磁相互作用範圍來控制自旋挫敗水平。 [23]美國國家標準與技術研究院的 Britton 等人通過實驗對數百個量子比特系統中的伊辛相互作用進行了基準測試，以用於量子磁性研究。 [17] Pagano 等人報道了一種新型低溫離子捕獲系統，用於長期存儲大型離子鏈，並演示了對多達 44 個離子鏈進行相干的單量子比特和雙量子比特操作。 [24] Joshi 等人研究了 51 個單獨控制離子的量子動力學，實現了長程相互作用的自旋鏈。 [25]

超冷原子模擬器

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許多超冷原子實驗都是量子模擬器的例子。這些實驗包括研究光學晶格中的玻色子或費米子、么正費米氣體、光鑷中的里德堡原子陣列。這些實驗的共同點是能夠實現通用哈密頓量，例如哈伯德哈密頓量或橫向場伊辛哈密頓量。這些實驗的主要目的包括識別低溫相或追蹤各種模型的非平衡動力學，這些問題在理論上和數值上都是難以解決的。 [26] [27]其他實驗實現了傳統材料難以或不可能實現的凝聚態模型，例如Haldane 模型和Harper-Hofstadter 模型[28] [29] [30] [31] [32] ，或模擬格子規範理論[33] 。

超導量子比特

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使用超導量子位的量子模擬器主要分為兩類。首先，所謂的量子退火器在絕熱斜坡之後確定某些哈密頓量的基態。這種方法有時被稱為絕熱量子計算。其次，許多系統模擬特定的哈密頓量，並研究它們的基態性質、量子相變或時間動態。 [34]近期的一些重要成果包括在驅動耗散Bose-Hubbard 系統中實現莫特絕緣體，以及研究與量子比特耦合的超導諧振器晶格中的相變。 [35] [36]

參見

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參考

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外部連結

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