人類(lèi)向新型量子模擬器邁出了激動(dòng)人心的一步

現(xiàn)代物理學(xué)中一些最激動(dòng)人心的話題，例如高溫超導(dǎo)體和量子計(jì)算機(jī)的一些提議，歸結(jié)為當(dāng)這些系統(tǒng)在兩個(gè)量子態(tài)之間徘徊時(shí)發(fā)生的奇異事物。

不幸的是，事實(shí)證明，了解在這些點(diǎn)(稱(chēng)為量子臨界點(diǎn))發(fā)生的事情具有挑戰(zhàn)性。數(shù)學(xué)往往太難解決，今天的計(jì)算機(jī)并不總是能夠模擬發(fā)生的事情，特別是在涉及任何可觀數(shù)量原子的系統(tǒng)中。

現(xiàn)在，斯坦福大學(xué)和能源部 SLAC 國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的研究人員及其同事已經(jīng)朝著建立一種稱(chēng)為量子模擬器的替代方法邁出了一步。盡管新設(shè)備目前只能模擬兩個(gè)量子物體之間的相互作用，但研究人員在 1 月 30 日發(fā)表在《自然物理學(xué)》( Nature Physics ) 雜志上的一篇論文中指出，它可以相對(duì)容易地按比例放大。如果是這樣，研究人員可以用它來(lái)模擬更復(fù)雜的系統(tǒng)，并開(kāi)始回答物理學(xué)中一些最誘人的問(wèn)題。

“我們一直在制作數(shù)學(xué)模型，我們希望這些模型能夠捕捉到我們感興趣的現(xiàn)象的本質(zhì)，但即使我們相信它們是正確的，它們通常也無(wú)法在合理的時(shí)間內(nèi)解決”，使用當(dāng)前的方法，斯坦福大學(xué)物理學(xué)教授、斯坦福材料與能源科學(xué)研究所 (SIMES) 研究員大衛(wèi)·戈德哈伯-戈登 (David Goldhaber-Gordon) 說(shuō)。他說(shuō)，有了通往量子模擬器的道路，“我們擁有了這些以前從未有過(guò)的旋鈕?！?

電子海中的島嶼

Goldhaber-Gordon 說(shuō)，量子模擬器的基本理念有點(diǎn)類(lèi)似于太陽(yáng)系的機(jī)械模型，有人轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄，聯(lián)鎖齒輪旋轉(zhuǎn)以代表月球和行星的運(yùn)動(dòng)。這種在 2000 多年前的沉船殘骸中發(fā)現(xiàn)的“太陽(yáng)系儀”被認(rèn)為已經(jīng)對(duì)日食時(shí)間和行星在天空中的位置進(jìn)行了定量預(yù)測(cè)，并且類(lèi)似的機(jī)器甚至在 20 世紀(jì)后期就被用于數(shù)學(xué)計(jì)算，這太過(guò)分了。這對(duì)于當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的數(shù)字計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)是困難的。

就像太陽(yáng)系機(jī)械模型的設(shè)計(jì)者一樣，構(gòu)建量子模擬器的研究人員需要確保他們的模擬器與他們要模擬的數(shù)學(xué)模型合理地對(duì)齊。

對(duì)于 Goldhaber-Gordon 和他的同事來(lái)說(shuō)，他們感興趣的許多系統(tǒng)——具有量子臨界點(diǎn)的系統(tǒng)，例如某些超導(dǎo)體——可以想象為一種元素的原子，它們排列在嵌入移動(dòng)電子庫(kù)中的周期性晶格中。這種材料中的晶格原子都是相同的，它們彼此相互作用，并與周?chē)碾娮雍Ｏ嗷プ饔谩?

要使用量子模擬器對(duì)此類(lèi)材料進(jìn)行建模，模擬器需要具有彼此幾乎相同的晶格原子的替代物，并且這些原子之間以及與周?chē)碾娮訋?kù)之間需要發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用。該系統(tǒng)還需要以某種方式可調(diào)，以便實(shí)驗(yàn)者可以改變實(shí)驗(yàn)的不同參數(shù)以深入了解模擬。

Goldhaber-Gordon 實(shí)驗(yàn)室的研究生、《自然物理學(xué)》論文的第一作者 Winston Pouse 說(shuō)，大多數(shù)量子模擬提案并不能同時(shí)滿(mǎn)足所有這些要求?！霸诟邔哟紊?，存在超冷原子，其中的原子完全相同，但很難實(shí)現(xiàn)與儲(chǔ)層的強(qiáng)耦合。然后是基于量子點(diǎn)的模擬器，我們可以在其中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合，但站點(diǎn)是不完全相同，”P(pán)ouse 說(shuō)。

Goldhaber-Gordon 說(shuō)，法國(guó)物理學(xué)家弗雷德里克·皮埃爾 (Frédéric Pierre) 的工作提出了一個(gè)可能的解決方案，他正在研究納米級(jí)設(shè)備，在這些設(shè)備中，金屬島位于專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的電子池之間，稱(chēng)為二維電子氣。電壓控制門(mén)調(diào)節(jié)池和金屬島之間的電子流動(dòng)。

在研究 Pierre 和他的實(shí)驗(yàn)室的工作時(shí)，Pouse、Goldhaber-Gordon 和他們的同事意識(shí)到這些設(shè)備可以滿(mǎn)足他們的標(biāo)準(zhǔn)。這些島——晶格原子的替代物——與它們周?chē)碾娮託獍l(fā)生了強(qiáng)烈的相互作用，如果皮埃爾的單個(gè)島擴(kuò)展為兩個(gè)或更多個(gè)島的集群，它們之間也會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用。與其他材料相比，金屬島還具有大量的電子態(tài)，這具有平均化同一金屬的兩個(gè)不同的不可見(jiàn)微小塊之間的任何顯著差異的效果 - 使它們實(shí)際上相同。最后，該系統(tǒng)可通過(guò)控制電壓的電線進(jìn)行調(diào)諧。

一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬器

該團(tuán)隊(duì)還意識(shí)到，通過(guò)將皮埃爾的金屬島配對(duì)，他們可以創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)該會(huì)顯示出他們感興趣的量子臨界現(xiàn)象。

事實(shí)證明，其中一個(gè)困難的部分實(shí)際上是制造設(shè)備。首先，電路的基本輪廓必須用納米級(jí)蝕刻到半導(dǎo)體中。然后，必須有人將一小塊金屬沉積并熔化到底層結(jié)構(gòu)上，以創(chuàng)建每個(gè)金屬島。

“它們很難制造，”P(pán)ouse 談到這些設(shè)備時(shí)說(shuō)?！斑@不是一個(gè)超級(jí)清潔的過(guò)程，重要的是要在金屬和下面的半導(dǎo)體之間建立良好的接觸”。

盡管存在這些困難，該團(tuán)隊(duì)的工作是斯坦福大學(xué)和 SLAC 更廣泛的量子科學(xué)工作的一部分，他們能夠構(gòu)建一個(gè)具有兩個(gè)金屬島的設(shè)備，并研究電子在各種條件下如何穿過(guò)它。他們的結(jié)果與在超級(jí)計(jì)算機(jī)上花費(fèi)數(shù)周時(shí)間進(jìn)行的計(jì)算相吻合——暗示他們可能已經(jīng)找到一種比以前更有效地研究量子臨界現(xiàn)象的方法。

都柏林大學(xué)量子工程、科學(xué)和技術(shù)中心 (C) 的理論物理學(xué)家安德魯·米切爾 (Andrew Mitchell) 說(shuō)：“雖然我們還沒(méi)有構(gòu)建出具有足夠能力解決物理學(xué)中所有未解決問(wèn)題的通用可編程量子計(jì)算機(jī)。 -QuEST)和該論文的合著者，“我們現(xiàn)在可以構(gòu)建帶有量子組件的定制模擬設(shè)備，可以解決特定的量子物理問(wèn)題。”

最終，Goldhaber-Gordon 說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)希望構(gòu)建具有越來(lái)越多島的設(shè)備，以便他們可以模擬越來(lái)越大的原子晶格，捕捉真實(shí)材料的基本行為。

然而，首先，他們希望改進(jìn)他們的雙島裝置的設(shè)計(jì)。一個(gè)目標(biāo)是減小金屬島的尺寸，這可以使它們?cè)诳蛇_(dá)到的溫度下更好地運(yùn)行：尖端的超低溫“冰箱”可以將溫度降至絕對(duì)零以上的五十分之一度，但這幾乎不夠冷對(duì)于研究人員剛剛完成的實(shí)驗(yàn)。另一種方法是開(kāi)發(fā)一種比將熔化的金屬滴到半導(dǎo)體上更可靠的工藝來(lái)創(chuàng)建島。

但是，研究人員認(rèn)為，一旦解決了這些問(wèn)題，他們的工作就可以為物理學(xué)家對(duì)某些類(lèi)型的超導(dǎo)體的理解取得重大進(jìn)展奠定基礎(chǔ)，甚至可能為更奇特的物理學(xué)奠定基礎(chǔ)，例如模擬粒子的假設(shè)量子態(tài)只有一小部分一個(gè)電子的電荷。

Pouse 說(shuō)：“David 和我分享的一件事是，對(duì)進(jìn)行這樣的實(shí)驗(yàn)甚至是可能的事實(shí)表示贊賞，”對(duì)于未來(lái)，“我當(dāng)然很興奮?！?