来自芝加哥大学的研究人员,利用53个量子比特的IBM Hummingbird量子处理器,制造出了一种称为激子凝聚(exciton condensate)的量子材料。

这意味着,我们离量子设备应用的距离又近了一步。

学界运用53-Qubit量子芯片,成功制造出新物质-量子客
图1|IBM Hummingbird量子处理器(来源:Qiskit)

 

1. 激子凝聚

当一组原子或粒子坍塌为相同的量子态时,便会形成凝聚。因此量子力学现在可以描述整个系统,而不仅仅是单个粒子。

尽管玻色-爱因斯坦凝聚(Bose–Einstein condensate)已广为人知,但凝聚也可以由激子、带电粒子的束缚态,再加上带有相反电荷的空穴而形成。

学界运用53-Qubit量子芯片,成功制造出新物质-量子客
图2|玻色-爱因斯坦凝聚(来源:NicePNG)

该研究团队不仅成功地在超导量子计算机上生成了这样一种激子凝聚,而且还发现了这些材料在形成更小的凝聚体时的一种新行为。

这个实验印证了,即便量子装置较为嘈杂(含有大量噪声),但其处理和解决问题的潜力很大。这些问题可能来源于物理学界,也可能来源于今时今日。

芝加哥大学化学系教授David Mazziotti表示,这些嘈杂的噪声,使其意识到了之前从未觉察的一些新事物。

学界运用53-Qubit量子芯片,成功制造出新物质-量子客
图3|David Mazziotti(来源:EurekAlert)

在50年前,激子凝聚被认定为超流体——粒子-空穴对,在流动时不会因为摩擦,而损失任何能量。

超流体特性有朝一日可能会用于设计新的导线或其他更节能的设备。

直至最近,物理学家们才制造出这些激子凝聚,而且仅限于某些特定的系统,例如在磁场中两个单层碳厚石墨烯片的堆叠层中。

 

2. Transmon量子比特

利用双层石墨烯制造出激子凝聚十分具有挑战性,所以研究小组决定使用超导量子计算机核心的Transmon量子比特来控制激子。

在量子计算中,尤其是在超导量子计算中,Transmon是一种超导电荷量子位,其设计目的是降低对电荷噪声的敏感性,Transmon qubit的全称为“transmission line shunted plasma oscillation qubit(传输线并联的电浆振荡量子比特)”[2]。

学界运用53-Qubit量子芯片,成功制造出新物质-量子客
图4|Transmon qubit(来源:Zlatko Minev)

Transmons是电流在绝对零度周围振荡的设备,两个振荡模式的最低点表示用于计算的0和1状态。但是,由于振荡器遵循量子力学的规则,因此它们可以同时在0和1状态下振荡,或者可以与其他Transmons的振荡相关联。

激子粒子-空穴的配对行为,类似于Transmon量子比特与微波光子相互作用的行为,并遵循相同的规则。使研究团队找到了一种方法,来创建一个与激子凝聚表现模式相同的系统,并对其进行操控。

Mazziotti补充说,他们确实创造了被称为“光子-空穴对”的激子凝聚物质

 

3. IBM Hummingbird

研究小组使用53个量子比特的IBM Quantum Hummingbird r1系统,来生成凝聚的量子态。

首先,他们在0量子比特上应用了一个Hadamard门(叠加门)。然后在0和1量子比特、1和2量子比特(以此类推)之间应用了CNOT门(纠缠门),从而创造了Greenberger-Horne-Zeilinger纠缠态(GHZ态)。

他们通过描述系统的密度矩阵的特征值,来寻找激子凝聚的特征,并对其进行了修正,以消除可能导致大特征值的其他已知影响。

而当他们在量子计算机上,计算这个为系统修改后的密度矩阵时,发现特征值大于1。

学界运用53-Qubit量子芯片,成功制造出新物质-量子客
图5|53个量子比特的IBM Rochester设备连接图表(来源:Qiskit)

随着这种状态的形成,研究人员观察到了之前从未见过的现象:噪声对大激子凝聚产生的影响。

该研究的第一作者LeeAnn Sager表示,凝聚态在完全消散之前,会分裂成“凝聚岛(islands of condensation)” ,或者更小的激子凝聚单位。

Sager认为,凝聚岛的出现让大家出乎意料,随着规模的不断扩大,系统会发生什么无人知晓。研究人员本以为误差过大,但是足够稳定的系统使其观测到了这个效应。

IBM量子团队很高兴能为研究团队提供53个量子比特的处理器,这也是其学术合作项目的一部分。

IBM Q网络学术合作项目的负责人表示,IBM现在正在制造的机器,将来会成为功能强大的计算设备。但即便是现在,它们在科研领域也极赋价值。

 

4. 实验意义

这项研究不仅证明了使用早期量子设备的好处,还印证了支持这些系统的开源软件和软件社区的能力。

除了在软件上进行必要的计算之外,Sager还用到了Qiskit[3],以便在解决问题时获得快速支持。

量子计算机目前还是比较嘈杂,无法实现通用。但是,对于物理学家来说,我们当下正在使用的计算机设备,就代表着量子力学最大、最复杂的测试。

激子凝聚实验表明,即使是嘈杂的量子装置,对于那些从事前沿物理学研究的人们,也可能是有用的。

IBM量子团队的量子应用/算法/理论的高级经理Jamie Garcia表示,此次研究很好地示范了如何使用IBM的53量子比特设备,研究成果可能会为未来的科研提供有效信息,并带来量子计算方面的创新。

 

参考链接:

[1]https://medium.com/qiskit/researchers-make-quantum-material-using-53-qubit-ibm-quantum-processor-and-qiskit-aa63c9c64dc

[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Transmon

[3]https://qiskit.org/

 

声明:此文出于传递高质量信息之目的,若来源标注错误或侵权,请作者持权属证明与我们联系,我们将及时更正、删除,所有图片的版权归属所引用组织机构,此处仅引用,原创文章转载需授权。

|编  辑:王嘉雯      |审  校:丁艳