大突破！哈佛-麻省理工团队开发256个量子比特模拟器
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来自哈佛大学-麻省理工学院超冷原子中心和其他大学的物理学家团队，开发了一种特殊
类型的量子计算机（quantum computer），被称为可编程量子模拟器（programmable
quantum simulator），具有 256 个量子比特（Qubits）或“量子位元”运行能力。
该系统标志着向建造大规模量子机器迈出了一大步，可用于阐明一系列复杂的量子过程，
并最终帮助在材料科学、通信技术、金融和许多其他领域带来现实世界的突破，克服当今
甚至是最快的超级计算机都无法做到的研究障碍。
该研究 2021 年 7 月 7 日发表在《自然》杂志上，的这项研究的资深作者之一、哈佛大
学物理学教授、哈佛大学量子计划联合主任 Mikhail Lukin 说：“这使该领域进入了一
个新领域，正在进入量子世界的一个全新的部分。”
该研究的主要作者 Sepehr Ebadi 称，正是该系统以前所未有的尺寸和可编程性的结合，
使其处于量子计算机竞赛的前沿，量子计算机利用物质在极小尺度上的神秘特性，大大提
升了处理能力。仅用 256 个量子比特就能实现的量子状态数量、超过了太阳系中的原子
数量，目前，该模拟器已经使研究人员能够观察到以前从未在实验中实现的几种奇异的物
质量子态，并进行了一项量子相变研究，其精确程度可作为磁学在量子水准上的教科书实
例。这些实验提供了关于材料特性背后的量子物理学的强有力的见解，并可以帮助科学家
展示如何设计具有奇异特性的新材料。
该项目使用研究人员在 2017 年开发的一个平台的显著升级版，该平台能够达到51个量子
比特的规模。那个旧系统允许研究人员捕捉超冷的铷原子，并使用称为光学镊子的单独聚
焦雷射光束的一维阵列，将它们按特定顺序排列。
这个新系统允许原子在光学镊子的二维阵列中被组装起来。这将可实现的系统规模从 51
个增加到 256 个量子比特。通过使用光学镊子，研究人员可以将原子安排在无缺陷的模
式中，并创造出可编程的形状，如方形、蜂窝状或三角形格子，以设计量子比特之间的不
同相互作用。
该研究宣称，新平台的主力是一个叫做空间光调制器（spatial light modulator）的设
备，它被用来塑造一个光学波前（optical wavefront），以产生数百个单独聚焦的光学
镊子光束（optical tweezer beams）。并认为，这些设备本质上与电脑投影仪内用于在
屏幕上显示图像的设备相同，但对它们进行了调整，使之成为他们的量子模拟器的一个关
键组成部分。
最初，原子装入光学镊子的过程是随机的，研究人员必须移动原子，将它们排列到目标几
何形状。研究人员使用第二组移动的光学镊子将原子拖到它们所需的位置，消除了最初的
随机性。雷射光使研究人员能够完全控制原子量子比特的定位及其相干的量子操纵（
coherent quantum manipulation）。