通過在超導量子計算機上模擬磁場，研究人員可以探索材料的復雜特性。量子計算機具有模擬復雜材料的潛力，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，用于制造速度更快、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出了一種由16個量子比特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Eli Krantz， Krantz NanoArt

但是，材料中出現的某些現象對使用量子計算機進行模擬具有挑戰性，這就給科學家們利用量子硬件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 個量子位組成的處理器上演示了該技術。

通過動態控制處理器中 16 個量子位之間的耦合方式，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。

模擬電磁場對于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征，如導電性、極化和磁化。

"量子計算機是研究材料物理和其他量子力學系統的強大工具。 "麻省理工學院博士后、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）電氣工程與計算機科學和物理學教授、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）。 電子工程和計算機科學系、物理系以及麻省理工學院林肯實驗室的其他人員也加入了奧利弗和羅森的研究隊伍。 這項研究最近發表在Nature Physics上。

量子仿真器

IBM 和Google等公司正在努力建造大型數字量子計算機，它們有望通過更快地運行某些算法來超越經典計算機。

但這并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、論文共同作者杰弗里-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計算機中的量子比特作為模擬設備，在受控環境中復制材料系統，而不是試圖建造大型數字量子計算機來解決極其復雜的問題。

"通用數字量子模擬器大有可為，但距離實現還很遙遠。 模擬仿真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："這是量子硬件的一種直接而強大的應用。"利用模擬量子仿真器，我可以有意設定一個起點，然后觀察隨著時間的變化而發生的變化。"

盡管量子計算與材料十分相似，但材料中的一些重要成分并不能輕易反映在量子計算硬件上。 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復雜。

在超導量子計算機上，微波光子在量子位之間的跳變被用來模擬電子在原子之間的跳變。 但是，由于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。

由于他們無法在模擬器中直接打開磁場，麻省理工學院的團隊采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比特的耦合方式，以產生與電磁場在電子中產生的復雜跳變行為相同的效果。

為此，他們通過應用不同的微波信號，稍微改變了每個量子位的能量。 通常，研究人員會將量子比特設置為相同的能量，這樣光子就能從一個量子比特跳轉到另一個量子比特。 但在這項技術中，他們動態地改變了每個量子位的能量，以改變它們之間的通信方式。

通過精確調制這些能級，研究人員使光子能夠以電子在磁場中原子間跳轉的復雜方式在量子位之間跳轉。

此外，由于他們可以對微波信號進行微調，因此可以模擬出一系列不同強度和分布的電磁場。

研究人員進行了多輪實驗，以確定為每個量子比特設置何種能量、調制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比特的調制設置，從而使所有 16 個量子比特同時工作。"

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。 他們還演示了"霍爾效應"，這是一種存在于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。今后，他們可以利用這種技術精確研究凝聚態物理學中的復雜現象，例如材料從導體變為絕緣體時發生的相變。

"我們的仿真器有一個很好的特點，那就是我們只需改變調制幅度或頻率，就能模擬出不同的材料系統。 "奧利弗說："通過這種方式，我們可以掃描許多材料特性或模型參數，而不必每次都實際制造一個新裝置。"

"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。量子計算機的美妙之處在于，我們可以準確查看每個量子比特上每時每刻發生的事情，因此我們可以掌握所有這些信息。 他補充說："我們的未來令人興奮。"

編譯自/ScitechDaily

DOI: 10.1038/s41567-024-02661-3