由来自哈佛-麻省理工学院超冷原子中心和其他一些大学的物理学家组成的研究团队，他们开发了一种被称为”可编程量子模拟器”的特殊量子计算机，它能够操控256个量子比特——这是有史以来最多的记录。这一研究成果发表在最近的《自然》杂志上。

该系统的成功标志着朝建造大规模量子机器的方向迈出了重要的一步。量子机器可以用来揭示一系列复杂的量子过程，并最终能帮助材料科学、通信技术、金融和许多其他领域取得现实性突破。它克服了当今最快的超级计算机都无法克服的研究障碍，量子比特是量子计算机运行的基本单元，也是其巨大处理能力的来源。

哈佛量子计划联合主任、该研究的资深作者之一、物理学教授Mikhail Lukin说：“这使该领域进入了一个迄今为止从未有人涉足过的新地方。我们正在进入量子世界的一个全新领域。

根据艺术与科学研究生院物理系学生、该研究的主要作者Sepehr Ebadi的说法，正是因为该系统前所未有的规模和可编程性的结合使其处于量子计算机竞赛的最前沿。它利用了物质在极小尺度上的神秘特性，极大地提高了处理能力。在适当的情况下，量子比特的增加意味着系统可以存储和处理比经典计算机所用比特还要更多的信息。

Ebadi解释了这个系统的庞大规模，他说：“256个量子比特可能产生量子态的数量超过了太阳系所有原子的数量。”

这个模拟器已经让研究人员观察到一些以前从未在实验上发现过的奇异物质量子态，并用它进行了精确的量子相变研究，甚至还可以作为磁是如何在量子水平上工作的教科书示例。此外，这些实验提供了对潜在材料特性的深度量子物理学见解，可以帮助科学家设计具有奇异特性的新材料。

该项目使用了研究团队在2017年开发的一个平台的显著升级版本。此前的这一平台能够达到51个量子比特规模，这个较旧的系统能让研究人员捕捉超冷铷原子，并使用一种称为光镊的一维单独聚焦激光束阵列将它们按特定的顺序排列。

而这个新系统允许原子在二维光镊阵列中排列。这将可实现的系统规模从51个量子比特增加到256个量子比特。利用光镊，研究人员可以将原子排列成无缺陷的图案，并创建出可编程的形状，如正方形、蜂窝状或三角形晶格，以设计量子比特之间的不同相互作用。

Ebadi说：“这个新平台的主要设备是一种被称为空间光调制器的装置，它被用来形成一个光波阵列，从而产生数百个单独聚焦的光镊光束。”“这些设备本质上与计算机投影仪中用于在屏幕上显示图像的设备相同，但我们已将它们改造成我们量子模拟器的关键组件。”

原子加载到光镊中起初是随机的，研究人员必须移动原子以使其排列成目标几何形状。通过使用第二组移动的光镊将原子拖到他们想要的位置，这消除了初始的随机性。激光让研究人员能够完全控制原子量子比特的位置及对其进行相干量子操纵。

该研究的其他资深作者包括哈佛大学Subir Sachdev和Markus Greiner教授，他们与麻省理工学院的Vladan Vuletić教授一起参与了该项目。此外，还有来自斯坦福大学、加州大学伯克利分校、奥地利因斯布鲁克大学、奥地利科学院、以及波士顿QuEra计算公司的研究员。

哈佛大学物理学研究助理、该论文作者之一的Tout Wang表示，该团队的工作是建造出更大更好的量子计算机，它是一场非常激烈的引人注目的全球竞赛的一部分。这项研究除了我们所做的努力外，还包括一些顶级学术研究机构的参与，以及谷歌、IBM、亚马逊和其他私营企业的投资。

研究人员目前正致力于通过改进激光对量子比特的控制和使系统更具可编程性来改进该系统。他们也在积极探索如何将该系统用于新的应用，从探索奇异的量子物质形式到解决可以在量子比特上自然编码的具有挑战性的现实问题。

“这项工作提供了许多新的科学方向。”Ebadi说：“我们离这些系统能做的极限事情还有很远的距离。”

该研究得到了美国超冷原子中心、美国国家科学基金会、Vannevar Bush院奖学金、美国能源部、海军研究办公室、陆军研究办公室MURI和DARPA ONISQ项目的支持。（编译:Julien）