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蝴蝶图案来自量子模拟

2019-05-14 11:19:50   来源:

量子模拟器是专用量子计算机,它将帮助研究人员识别具有新特性和有用特性的材料。谷歌与加州,新加坡和希腊大学的研究人员合作,这一诱人的未来向前迈进了一步。

国际团队在谷歌的量子芯片中使用光子来模拟“霍夫斯塔特蝴蝶”的惊人和美丽的图案,这是一种分形结构,表征强磁场中电子的行为。12月1日发表在“科学”杂志上的研究结果显示了量子模拟器如何开始实现其作为强大工具的承诺。

新加坡国立大学量子技术中心的Dimitris Angelakis说:“我们总是有这样的想法,即我们可以使用光子来模拟和更好地理解自然。我们的合作将这一点付诸实践。”

这项壮举是由谷歌和美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校,新加坡国立大学和希腊克里特岛技术大学的合作者在Google的9个超导量子比特(量子比特)链上进行的。它展示了量子模拟器如何能够再现各种奇异的复杂量子行为。这将使研究人员能够模拟 - 并因此设计 - 具有外来电子传导特性的材料,从而可能开辟一系列新应用。

“芯片与本实验中使用的芯片类似,我们有兴趣研究凝聚态物质,统计力学和非平衡动力学的核心问题,”谷歌的量子电子工程师Pedram Roushan说。

Hofstadter的蝴蝶首次出现于1976年,用于计算强磁场中二维材料中的电子。蝴蝶映射了电子能量水平的分裂和移动以及场强的变化。在这种量子模拟中,光子扮演电子的角色,而量子位上的栅极则提供了磁场的模拟。蝴蝶图案来自团队的测量。

该实验依赖于该团队发明的一种他们称之为“聆听和聆听”的新型光谱技术。该技术绘制了存储在九个量子比特中的光粒子,微波光子的能量水平。

“我们的方法就像敲钟。它所产生的声音是所有基本谐波的叠加。通过在不同位置击打几次并听到足够长的声音,可以解决隐藏的谐波。我们也是这样做的。随着量子芯片,用光子击中它,然后及时跟随它的演变,“Angelakis解释说。该团队一次用一个光子击中量子比特,看到了蝴蝶。

该团队还同时使用两个光子击中量子比特,并使量子比特无序 - 将一些随机性编程到其属性中 - 以研究称为“多体定位”的复杂现象。这是一个量子相变,类似于水冻结成冰时发生的相变,决定材料是导体还是绝缘体。团队通过将“击中和聆听”技术应用于不同的制度,找到了多体定位的前体。障碍和互动。

掌握这种现象可能为设计具有外来传导特性的有用新材料提供了另一种途径。然而,物理学家一般都在努力模拟这种复杂的场景。据预测,在20世纪50年代,材料的无序可以阻止电子通过它的运动。这就是所谓的本地化。但是,如果粒子可以相互作用,那么问题就变成了“多体” - 并且更难以建模。

对于9个量子比特中的两个光子,团队可以在传统计算机上模拟预期的行为,并与他们的实验结果找到很好的一致性。但是只添加几个量子比特,这个问题对于经典机器来说变得难以处理。

这使得更大量子模拟器的前景吸引了科学家 - 他们可以解决当今超级计算机无法企及的问题。

“理解量子阶段仍然是物理学中未解之谜的一个”Roushan说。