量子计算机胸围问题传统计算机无法解决

五十多个原子在空旷的空间里嗡嗡作响。不可见的力线 - 量子磁力 - 将它们链接在一起。摇摇晃晃地笑了一声，其他人则同情地摇晃着。敲响另一个像铃铛，其他人将以不同的音高或更慢的速度拾取歌曲。任何一个原子上的每一个动作都会影响50中的每个原子。这是一个展现微妙和复杂的微小世界。

我们这个更大的世界有一些限制，使得这种摇晃难以预测。例如，没有什么比光速更快地移动，没有冰点比绝对零更冷。这是另一个限制：我们笨重的经典计算机无法预测在50个相互作用的原子的小世界中会发生什么。

问题不在于我们的电脑不够大; 如果数字是20个原子，你可以在你的笔记本电脑上运行模拟。但是在这个过程中的某个地方，随着小世界膨胀到包含50个原子，预测它们对你的笔记本电脑或任何普通计算机的行为难以解决的问题。即使是最大的常规超级人类将永远建会永远失去自己在计算的迷宫-无论答案可能最终吐出可能不来，直到宇宙热寂后长。

然而，问题刚刚解决了。

实际上是两次。

两个实验室，一个在哈佛大学，一个在马里兰大学(UMD)，建造了可以模拟这种规模的量子磁学的机器。

他们的研究结果，发表如孪生论文在杂志11月29日自然，表现出的两个特殊的量子计算机能力，飞跃远远超出了先前建立的任何常规的或量子计算机已经能够完成。

用于手头任务的工具

哈佛团队的领导人之一米哈伊尔·卢金(Mikhail Lukin)在他的实验室里谈到机器，他告诉Live Science，“它基本上是一个量子模拟器。”

这意味着计算机是为特定任务而构建的：研究量子系统的演变。它不会破坏世界银行的加密代码，找到山脉中最高的山峰，或者完成适用于普通量子计算机的任何其他任务。

相反，哈佛和UMD机器真的很擅长解决一个特定类型的问题：如果一个复杂的量子系统在一个状态下启动，它将如何移动和发展?

这是一个狭隘的问题，但在解决问题时，研究人员正在开发技术并在物理学中发现新的发现，这将允许更复杂的计算机，这将带来更令人印象深刻的任务。

两台不同的机器

马里兰州和哈佛大学的量子模拟器在很多方面都很相似。他们解决了同样的问题。他们使用单个原子作为量子位 - 量子计算机的基本单位。它们涉及昂贵的激光器和真空室。但他们不一样。

在马里兰州，量子比特是离子 - 带电原子 - 银白色金属镱。研究人员使用小电极将其中的53个捕获到位，这些电极在真空中产生磁场，甚至比外太空更空旷。然后，他们用激光打它们，使它们冷却下来，直到它们几乎静止。

UMD量子比特将它们的信息存储在原子内部作为“ 自旋状态 ” - 小颗粒的特殊量子力学特征。

“关于量子比特的事情是，只要它们被孤立，它们就能保存所有信息，”领导马里兰州团队的克里斯托弗·门罗告诉Live Science。

但是，如果研究人员让这些量子比特过度抖动，或撞到空气粒子甚至测量量子比特的自旋状态，那么所有数据都会丢失。(在控制量子世界的心灵弯曲规则下，测量甚至观察亚原子粒子会改变它。)

这些磁场将原子固定在原位而不接触它们，使它们大部分不受干扰。

一旦梦露和他的团队将离子放在他们想要的位置，他们再次使用激光推动它们。不过，这种推动有一种奇特的效果。

“我们对推动原子的原子施加一种力[不同的方式]，这取决于量子比特的自旋状态。”

但由于量子比特的状态未知，量子力学的奇怪定律导致原子同时向两个方向移动。微小的粒子在空间上涂抹，变成一个相当大的量子磁铁，与电极陷阱中的所有兄弟姐妹相互作用。

一旦所有离子以这种奇怪的方式传播和转化，它们就会很快地相互作用。研究人员观察结果，模拟完成。

哈佛模拟器

哈佛的模拟器不适用于离子或电极。

“我们拥有的是100个单独的，聚焦紧密的聚焦在真空室上的激光束，”Lukin说。“电池内部是一层非常薄的铷原子蒸气。”

仿佛它们是精美的光学镊子，那些激光器将单个原子从蒸汽中吸出并将它们捕获到位。他们允许哈佛团队精心编程他们的设备，在他们开始模拟之前将原子安排到他们想要测试的设置中。

一旦所有原子都置于空间中，并且整个系统冷却到接近绝对零度，机器再次用激光撞击原子。但是，这些激光器不会移动或冷却原子。相反，它们会使它们变得兴奋 - 并进入一种称为里德堡状态的东西。

在里德堡状态下，原子不会在两点之间被涂抹。相反，他们膨胀。

每个原子都有围绕它旋转的电子，但通常这些电子都被限制在紧密的轨道上。在里德堡状态下，电子摆动得越来越宽，离原子核心越来越远 - 直到它们在计算机模拟中与其他原子交叉。所有这些疯狂激发的原子突然发现它们共享同一个空间，并且 - 就像在马里兰机器中一样 - 彼此相互作用，成为研究人员可以观察到的量子磁铁。

这一切意味着什么，以及它的发展方向

一个50比特的量子模拟器很有意思，但它还不是很有用。门罗说，他的实验室的下一步是扩大规模，创建50多个量子比特量子模拟器阵列，联合起来模拟更复杂的量子事件。

他还说，他的团队和哈佛大学的原子量子比特为其他试图建造量子机器的团体提供了路线图。

“关于原子量子比特的好处在于它们是完美的，”他说。

与谷歌和IBM实验室芯片上印刷的更复杂，更大的“固态”量子比特不同，原子量子比特只要不受干扰就能保留其信息。

Monroe和Lukin等研究人员面临的挑战是制造激光器和真空室，这些激光器和真空室足够精确，不会影响其不断增长的量子比特阵列。