量子計算機有望模擬複雜材料，幫助研究人員更好地理解由原子和電子相互作用產生的物理特性。這項進展或將有一天促成更優質的半導體、絕緣體或超導體的發現與設計，從而為更快速、更強大且更節能的電子裝置奠定基礎。
然而，某些材料中出現的現象很難透過量子計算機進行模擬，這讓科學家在使用量子硬體探索問題時留下了一些空白。
為填補這些空白，MIT 的研究人員開發了一種技術，可以在超導量子處理器上生成合成的電磁場。團隊在一個由 16 個量子位元組成的處理器上演示了這項技術。
透過動態控制處理器中 16 個量子位元之間的耦合，研究人員成功地模擬了電子在電磁場中在原子之間的運動。此外，這個合成電磁場具有廣泛的可調性，使科學家可以探索多種材料特性。
模擬電磁場對於全面探索材料特性至關重要。未來，這項技術可能會揭示電子系統中的關鍵特徵，比如導電性、極化和磁化等。
“量子計算機是研究材料和其他量子力學系統物理性質的強大工具。我們的工作讓我們能夠模擬材料科學家們所關注的更多豐富物理特性。”MIT 博士後、論文第一作者 Ilan Rosen 說道。
這篇論文的資深作者是 MIT 的 William D. Oliver，他是電氣工程與計算機科學以及物理學的 Henry Ellis Warren 教授，量子工程中心主任，工程量子系統小組負責人，同時也是電子研究實驗室副主任。Oliver 和 Rosen 還聯合了電氣工程與計算機科學系、物理系以及 MIT 林肯實驗室的其他成員。這項研究發表在Nature Physics上。
量子模擬器
像 IBM 和 Google 這樣的公司正致力於構建大規模的數字量子計算機，希望在執行某些演算法方面超越經典計算機。
但量子計算機不僅僅只有這一用處。量子位元及其耦合的動態還可以精確構建，來類比電子在固體中原子間的移動行為。
“這帶來了一個顯而易見的應用，即使用這些超導量子計算機作為材料的模擬器。”論文合著者、MIT 研究科學家 Jeffrey Grover 說道。
與其嘗試構建大規模的數字量子計算機來解決極其複雜的問題，研究人員可以將小規模量子計算機中的量子位元作為模擬裝置，在受控環境下複製材料系統。
“通用數字量子模擬器前景廣闊，但距離實際應用還有很長的路要走。而模擬是另一種方法，可能在短期內就能在材料研究方面產生有用的結果，這是一種直接且強大的量子硬體應用。”Rosen 解釋道。“透過使用模擬量子模擬器，我可以有意設定一個起始點，然後觀察隨時間展開的變化。”
儘管量子位元系統與材料的特性十分相似，材料中仍有一些重要成分難以在量子計算硬體上體現。磁場就是其中之一。
在材料中，電子存在於原子軌道中。當兩個原子靠近時，它們的軌道會重疊，電子可以“跳躍”到另一個原子。在磁場的作用下，這種跳躍行為變得更加複雜。
在超導量子計算機上，利用微波光子在量子位元之間的跳躍來類比電子在原子間的跳躍。然而，由於光子並不像電子那樣帶電，在物理磁場中，光子的跳躍行為不會改變。
由於無法在模擬器中直接啟用磁場，MIT 團隊運用了一些技巧來模擬磁場的效果。
調整處理器
研究人員透過調整處理器中相鄰量子位元的耦合方式，創造出電磁場在電子中引起的複雜跳躍行為。
為此，他們透過施加不同的微波訊號來稍微改變每個量子位元的能量。通常情況下，研究人員會將量子位元設為相同能量，以便光子可以在它們之間跳躍。但在這一技術中，他們動態地調整每個量子位元的能量，以改變它們之間的相互作用方式。
透過精確調節這些能量水平，研究人員使光子在量子位元之間的跳躍行為與電子在磁場中在原子間跳躍的行為一致。
此外，由於他們可以精細地調節微波訊號，還能夠模擬出不同強度和分佈的電磁場。
研究人員進行了多輪實驗，以確定每個量子位元的能量設定、調製強度以及使用的微波頻率。
“最具挑戰性的一點是找到適合每個量子位元的調製設定，使所有 16 個量子位元同時工作。”Rosen 說道。
在找到合適的設定後，他們確認光子的動態滿足電磁學的幾條基礎方程。他們還展示了“霍爾效應”，一種存在於電磁場中的導電現象。
這些結果表明，他們的合成電磁場的表現如同真實的電磁場。
未來，他們可以利用這一技術精確研究凝聚態物理中的複雜現象，例如材料從導體轉變為絕緣體時發生的相變。
“我們的模擬器的一個優點是，只需改變調製幅度或頻率，就可以模擬不同的材料系統。這樣，我們可以在不需要每次都物理製造新裝置的情況下，遍歷多種材料特性或模型引數。”Oliver 說道。
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，Rosen 表示。
“量子計算機的美妙之處在於，我們可以準確地觀察每個時間點上每個量子位元的情況，因此我們可以利用豐富的資訊。未來充滿令人興奮的可能性。”他補充道。
這項工作得到了美國能源部、美國國防高階研究計劃局（DARPA）、美國陸軍研究辦公室、奧克里奇科學與教育研究所、國家情報局局長辦公室、NASA 和國家科學基金會的部分支援。
https://news.mit.edu/2024/quantum-simulator-could-uncover-materials-high-performance-electronics-1030
