量子比特（量子位）的计算处理能力有望对科学和工程的各个领域产生深远的影响。使用九个超导量子比特，谷歌和新加坡量子技术中心的研究人员能够模拟为磁场中的 2D 电子预测的复杂能谱， Hofstadter Butterfly 。此图基于实验数据。图片来源： VISUAL SCIENCE AND GOOGLE ， INC.
他们的工作，“多体定位与相互作用光子的光谱特征”，发表在《科学》杂志上。
“量子计算机可以做任何你要求的计算，”Roushan说。为了这个演示，研究人员选择解决多体定位的问题，在这种情况下，许多相互作用的物体（在这种情况下，电子）失去了通过介质传播的能力。在金属中，它们是超导体，这将导致其定义方面的一个损失，并将它们变成绝缘体。
“这是Philip Anderson在1950年代后期预测它之后知道的，”Roushan谈到被称为Anderson定位的现象时说，当系统中有足够的无序（随机性）来中断电子的运动时，就会发生这种情况。在固体金属中，相同的原子排列在（理想情况下）定期重复均匀结构的“晶格”中，允许粒子以最小的能量移动。
“但是假设你开始从晶格中取出原子，并用一些外来原子代替它们，”他解释说。“它变成了一个非常锯齿状的景观，电子传导不会发生。在系统中复制这一点，你就会遇到多体定位的情况。
进入光谱学，或使用光来评估材料的组成，它可能是一个遥远的星球或我们身体的软组织。 不同类型原子的电子吸收和发射不同波长的光(光子)，这取决于原子的允许和离散能级，使每种材料具有独特的光谱特征。
“在过去的10年中，有人预测，对于具有金属特性的系统（存在传导）和成为绝缘体的系统（没有传导）将存在光谱特征，”Roushan说。
在一个类似于音乐家敲击音叉并聆听主音符的过程中，研究人员用光子“击中”他们的九量子位系统，并等待系统进化以揭示其基本频率。
“量子力学最基本的假设之一是，如果一个系统以非特征态开始，它将根据薛定谔方程及时演化，”新加坡国立大学专门从事量子光学和多体物理学的Dimitris
Angelakis 说。他补充说，一个脱离平衡的系统，期望最终找到某种与系统固有特性相关的平衡(“热化”)。
这种超导芯片的总面积为 1 平方厘米，由一维阵列中的 9 个量子位组成。利用微波脉冲控制它们的状态和相互作用，从而控制系统的动力学。 这种基于 Josephson-junction 的超导系统是量子计算和模拟处理的领先物理实现。图片来源： ERIC LUCERO/GOOGLE ， INC.
另一方面，Angelakis解释说，多体定位是一种能量和信息不会随着时间的推移而扩散的情况。根据研究人员的说法，一个不断发展的热化系统的光谱特征将与经历多体定位的系统不同。
为了演示和测试他们的高度可调的九量子位平台，研究人员抓住了一只蝴蝶。也就是说，他们使用他们的系统来模拟电子在磁场下的复杂运动，正如物理学家Douglas
Hofstadter 在1976年预测的那样。
在证明了他们对系统的控制之后，他们引入了两个光子，同时大大增加了系统的复杂性，并对越来越多的不规则性和无序性进行了编程。
“通过把两个光子放进去，你有一个45个能级的问题，这45个能级会相互作用并把对方推开，”Roushan说。
不同地方的几次光子撞击产生了多组频率。
“有点像吉他弦、钟或鼓敲击时产生的振动，”Angelakis说，“产生的总声音是乐器所有基本谐波的叠加，具有不同的贡献/权重，这取决于初始状态/打击。
这种超导芯片的总面积为 1 平方厘米，由一维阵列中的 9 个量子位组成。利用微波脉冲控制它们的状态和相互作用，从而控制系统的动力学。 这种基于 Josephson-junction 的超导系统是量子计算和模拟处理的领先物理实现。图片来源： ERIC LUCERO/GOOGLE ， INC.
另一方面，Angelakis解释说，多体定位是一种能量和信息不会随着时间的推移而扩散的情况。根据研究人员的说法，一个不断发展的热化系统的光谱特征将与经历多体定位的系统不同。
为了演示和测试他们的高度可调的九量子位平台，研究人员抓住了一只蝴蝶。也就是说，他们使用他们的系统来模拟电子在磁场下的复杂运动，正如物理学家Douglas
Hofstadter 在1976年预测的那样。
在证明了他们对系统的控制之后，他们引入了两个光子，同时大大增加了系统的复杂性，并对越来越多的不规则性和无序性进行了编程。
“通过把两个光子放进去，你有一个45个能级的问题，这45个能级会相互作用并把对方推开，”Roushan说。
不同地方的几次光子撞击产生了多组频率。
“有点像吉他弦、钟或鼓敲击时产生的振动，”Angelakis说，“产生的总声音是乐器所有基本谐波的叠加，具有不同的贡献/权重，这取决于初始状态/打击。
Google/Martinis group ，来自 l tor ： John Martinis 、 Charles Neill 、 Anthony Megrant 和主要作者 Pedram Roushan 图片来源： SONIA FERNANDEZ
在音乐中，音乐家将使用占主导地位的音符或频率作为指导。研究人员也利用量子比特系统每次撞击产生的频谱振动，然后将其转换为他们的分量频率，以确定由于无序水平的增加而出现的能量特征。
Roushan说，在低无序系统中，能量水平保持离散，相互排斥，并均匀分布在整个链中。但随着无序的增加，能量水平变得不相关且彼此独立。
凭借其九个量子位的胚胎量子计算机，研究人员只是触及了全尺寸量子计算机可以做什么的表面。然而，根据合著者和UCSB研究员Charles
Neill 的说法，这一发展证明，当前计算能力无法解决的问题
- 例如量子粒子在不同无序水平下同时发生的大量相互作用
- 现在可以解决。
“它触及了真正的基础物理学，”他说，“我们真的可以开始嵌入许多不同的物理问题。
2017 年 11 月 29 日， Sonia Fernandez
Source: The UC Santa Barbara
Current
Sonia Fernandez on 29th of November 2017
Source: The UC Santa Barbara Current
