研究人员向新型量子模拟器迈出了一步

现代物理学中一些最激动人心的话题，例如高温超导体和量子计算机的一些提议，归结为当这些系统在两个量子态之间徘徊时发生的奇异事物。

不幸的是，事实证明，了解在这些点(称为量子临界点)发生的事情具有挑战性。数学往往太难解决，今天的计算机并不总是能够模拟发生的事情，特别是在涉及任何可观数量原子的系统中。

现在，斯坦福大学和能源部 SLAC 国家加速器实验室的研究人员及其同事已经朝着建立一种称为量子模拟器的替代方法迈出了一步。尽管新设备目前只能模拟两个量子物体之间的相互作用，但研究人员在 1 月 30 日发表在 《自然物理学》( Nature Physics ) 杂志上的一篇论文中 指出，它可以相对容易地按比例放大。如果是这样，研究人员可以用它来模拟更复杂的系统，并开始回答物理学中一些最诱人的问题。

“我们一直在制作数学模型，我们希望这些模型能够捕捉到我们感兴趣的现象的本质，但即使我们相信它们是正确的，它们通常也无法在合理的时间内解决”，使用当前的方法，斯坦福大学物理学教授、斯坦福材料与能源科学研究所 ( SIMES ) 研究员 David Goldhaber-Gordon 说。他说，有了通往量子模拟器的道路，“我们拥有了这些以前从未有过的旋钮。”

电子海中的岛屿

Goldhaber-Gordon 说，量子模拟器的基本理念有点类似于太阳系的机械模型，有人转动曲柄，联锁齿轮旋转以代表月球和行星的运动。这种在 2000 多年前的沉船中发现的“太阳系仪”被认为已经对日食时间和行星在天空中的位置进行了定量预测，并且类似的机器甚至在 20 世纪后期都被用于 数学计算，这太过分了。这对于当时最先进的数字计算机来说是困难的。

就像太阳系机械模型的设计者一样，构建量子模拟器的研究人员需要确保他们的模拟器与他们要模拟的数学模型合理地对齐。

对于 Goldhaber-Gordon 和他的同事来说，他们感兴趣的许多系统——具有量子临界点的系统，例如某些超导体——可以想象为一种元素的原子，它们排列在嵌入移动电子库中的周期性晶格中。这种材料中的晶格原子都是相同的，它们彼此相互作用，并与周围的电子海相互作用。

要使用量子模拟器对此类材料进行建模，模拟器需要具有彼此几乎相同的晶格原子的替代物，并且这些原子之间以及与周围的电子库之间需要发生强烈的相互作用。该系统还需要以某种方式可调，以便实验者可以改变实验的不同参数以深入了解模拟。

Goldhaber-Gordon 实验室的研究生、《 自然物理学》 论文的第一作者 Winston Pouse 说，大多数量子模拟提案并不能同时满足所有这些要求。“在高层次上，存在超冷原子，其中的原子完全相同，但很难实现与储层的强耦合。然后是基于量子点的模拟器，我们可以在其中实现强耦合，但站点是不完全相同，”Pouse 说。

Goldhaber-Gordon 说，法国物理学家弗雷德里克·皮埃尔 (Frédéric Pierre) 的工作提出了一个可能的解决方案，他正在研究纳米级设备，在这些设备中，金属岛位于专门设计的电子池之间，称为二维电子气。电压控制门调节池和金属岛之间的电子流动。

在研究 Pierre 和他的实验室的工作时，Pouse、Goldhaber-Gordon 和他们的同事意识到这些设备可以满足他们的标准。这些岛——晶格原子的替代物——与它们周围的电子气发生了强烈的相互作用，如果皮埃尔的单个岛扩展为两个或更多个岛的簇，它们之间也会发生强烈的相互作用。与其他材料相比，金属岛还具有大量的电子态，这具有平均化同一金属的两个不同的不可见微小块之间的任何显着差异的效果——使它们实际上相同。最后，该系统可通过控制电压的电线进行调谐。

一个简单的模拟器

该团队还意识到，通过将皮埃尔的金属岛配对，他们可以创建一个简单的系统，该系统应该会显示出他们感兴趣的量子临界现象。

事实证明，其中一个困难的部分实际上是制造设备。首先，电路的基本轮廓必须用纳米级蚀刻到半导体中。然后，必须有人将一小块金属沉积并熔化到底层结构上，以创建每个金属岛。

“它们很难制造，”Pouse 谈到这些设备时说。“这不是一个超级清洁的过程，重要的是要在金属和下面的半导体之间建立良好的接触”。

尽管存在这些困难，该团队的工作是斯坦福大学和 SLAC 更广泛的量子科学工作的一部分，他们能够构建一个具有两个金属岛的设备，并研究电子在各种条件下如何穿过它。他们的结果与在超级计算机上花费数周时间进行的计算相吻合——暗示他们可能找到了一种比以前更有效地研究量子临界现象的方法。

都柏林大学量子工程、科学和技术中心 (C) 的理论物理学家安德鲁·米切尔 (Andrew Mitchell) 说：“虽然我们还没有构建出具有足够能力解决物理学中所有未解决问题的通用可编程量子计算机，” -QuEST)和该论文的合著者，“我们现在可以构建具有量子组件的定制模拟设备，可以解决特定的量子物理问题。”

最终，Goldhaber-Gordon 说，该团队希望构建具有越来越多岛的设备，以便他们可以模拟越来越大的原子晶格，捕捉真实材料的基本行为。

然而，首先，他们希望改进他们的双岛装置的设计。一个目标是减小金属岛的尺寸，这可以使它们在可达到的温度下更好地运行：尖端的超低温“冰箱”可以将温度降至绝对零以上的五十分之一，但这几乎不够冷对于研究人员刚刚完成的实验。另一种方法是开发一种比将熔化的金属滴到半导体上更可靠的工艺来创建岛。

但是，研究人员认为，一旦解决了这些问题，他们的工作就可以为物理学家对某些类型的超导体的理解取得重大进展奠定基础，甚至可能为更奇特的物理学奠定基础，例如模拟粒子的假设量子态只有一小部分一个电子的电荷。

Pouse 说：“David 和我分享的一件事是，对进行这样的实验甚至是可能的事实表示赞赏，”对于未来，“我当然很兴奋。”

该研究主要由美国能源部科学办公室资助，早期阶段由戈登和贝蒂摩尔基金会提供支持。