量子模拟器可以帮助发现高性能电子产品的材料

量子计算机有望模拟复杂材料，帮助研究人员更好地理解原子和电子相互作用产生的物理特性。这有朝一日可能会发现或设计出更好的半导体、绝缘体或超导体，用于制造速度更快、功能更强大、更节能的电子产品。

但使用量子计算机模拟材料中发生的一些现象可能具有挑战性，这使得科学家使用量子硬件探索的问题存在空白。

为了填补其中一项空白，麻省理工学院的研究人员开发了一种在超导量子处理器上产生合成电磁场的技术。该团队已经在包含 16 个量子位的处理器上演示了该技术。

通过动态控制处理器中 16 个量子比特之间的耦合方式，研究人员能够模拟电子在电磁场存在下在原子之间移动的方式。此外，合成电磁场具有广泛的可调性，使科学家能够探索一系列材料特性。

模拟电磁场对于充分探索材料特性至关重要。未来，这项技术可以揭示电子系统的关键特性，例如电导率、极化和磁化。

“量子计算机是研究材料物理和其他量子力学系统的强大工具。我们的工作使我们能够模拟更多让材料科学家着迷的丰富物理现象，”麻省理工学院博士后、量子模拟器论文的主要作者 Ilan Rosen 说道。

这项研究的资深作者是威廉·D·奥利弗 (William D. Oliver)，他是亨利·埃利斯·沃伦 (Henry Ellis Warren) 电气工程与计算机科学和物理学教授、量子工程中心主任、工程量子系统小组负责人和电子研究实验室副主任。奥利弗和罗森与麻省理工学院林肯实验室电气工程与计算机科学系和物理学系的其他研究人员一起参与了这项研究。

量子模拟器

IBM 和谷歌等公司正在努力构建大规模数字量子计算机，这些计算机有望通过更快地运行某些算法来超越传统计算机。

但量子计算机的功能远不止于此。量子比特的动态特性及其耦合也可以被精心构建，以模拟电子在固体原子间移动时的行为。

麻省理工学院研究科学家、论文合著者 Jeffrey Grover 说：“这导致了一个显而易见的应用，那就是使用这些超导量子计算机作为材料的模拟器。”

研究人员不需要尝试构建大规模数字量子计算机来解决极其复杂的问题，而是可以使用小规模量子计算机中的量子位作为模拟设备来复制受控环境中的物质系统。

“通用数字量子模拟器前景广阔，但距离实现还有很长的路要走。模拟仿真是另一种可能在短期内产生有用结果的方法，特别是对于研究材料而言。这是量子硬件的一个简单而强大的应用，”Rosen 解释道。“使用模拟量子模拟器，我可以有意设置一个起点，然后观察随时间推移会发生什么。”

尽管材料与物质十分相似，但材料中有一些重要成分无法在量子计算硬件上轻易体现出来。磁场就是其中一种成分。

在材料中，电子“生存”在原子轨道中。当两个原子彼此靠近时，它们的轨道会重叠，电子可以从一个原子“跳跃”到另一个原子。在磁场存在的情况下，这种跳跃行为会变得更加复杂。

在超导量子计算机上，微波光子在量子比特之间跳跃，用来模拟电子在原子之间跳跃。但由于光子不像电子那样带电，因此光子的跳跃行为在物理磁场中保持不变。

由于无法直接在模拟器中打开磁场，麻省理工学院的研究小组采用了一些技巧来合成磁场效应。

调整处理器

研究人员调整了处理器中相邻量子位之间的耦合方式，以产生与电磁场在电子中引起的相同的复杂跳跃行为。

为了实现这一点，他们通过施加不同的微波信号稍微改变了每个量子比特的能量。通常，研究人员会将量子比特设置为相同的能量，以便光子可以从一个量子比特跳到另一个量子比特。但对于这项技术，他们动态地改变每个量子比特的能量，以改变它们之间的通信方式。

通过精确调节这些能级，研究人员让光子在量子比特之间跳跃，其复杂程度与电子在磁场中在原子之间跳跃相同。此外，由于他们可以精细地调整微波信号，因此他们可以模拟一系列具有不同强度和分布的电磁场。

研究人员进行了多轮实验，以确定每个量子比特的能量设置是多少、对它们的调制强度是多少、以及使用的微波频率。

“最具挑战性的部分是找到每个量子位的调制设置，以便所有 16 个量子位能够同时工作，”罗森说。

一旦他们找到正确的设置，他们就证实光子的动力学符合构成电磁学基础的几个方程。他们还演示了“霍尔效应”，即在电磁场存在的情况下出现的传导现象。

这些结果表明，他们合成的电磁场的行为与真实电磁场类似。

展望未来，他们可以使用这种技术精确研究凝聚态物理学中的复杂现象，例如材料从导体变为绝缘体时发生的相变。

“我们的模拟器的一个优点是，我们只需要改变调制幅度或频率就可以模拟不同的材料系统。这样，我们就可以扫描许多材料属性或模型参数，而不必每次都物理地制造一个新设备。”Oliver 说。

罗森说，虽然这项工作是合成电磁场的初步演示，但它为许多潜在的发现打开了大门。

“量子计算机的美妙之处在于，我们可以精确地看到每个量子比特在每个时刻发生的事情，因此我们可以掌握所有这些信息。我们对未来充满期待，”他补充道。