量子计算机有望模拟复杂材料，帮助研究人员更好地理解由原子和电子相互作用产生的物理特性。这项进展或将有一天促成更优质的半导体、绝缘体或超导体的发现与设计，从而为更快速、更强大且更节能的电子设备奠定基础。
然而，某些材料中出现的现象很难通过量子计算机进行模拟，这让科学家在使用量子硬件探索问题时留下了一些空白。
为填补这些空白，MIT 的研究人员开发了一种技术，可以在超导量子处理器上生成合成的电磁场。团队在一个由 16 个量子比特组成的处理器上演示了这项技术。
通过动态控制处理器中 16 个量子比特之间的耦合，研究人员成功地模拟了电子在电磁场中在原子之间的运动。此外，这个合成电磁场具有广泛的可调性，使科学家可以探索多种材料特性。
模拟电磁场对于全面探索材料特性至关重要。未来，这项技术可能会揭示电子系统中的关键特征，比如导电性、极化和磁化等。
“量子计算机是研究材料和其他量子力学系统物理性质的强大工具。我们的工作让我们能够模拟材料科学家们所关注的更多丰富物理特性。”MIT 博士后、论文第一作者 Ilan Rosen 说道。
这篇论文的资深作者是 MIT 的 William D. Oliver，他是电气工程与计算机科学以及物理学的 Henry Ellis Warren 教授，量子工程中心主任，工程量子系统小组负责人，同时也是电子研究实验室副主任。Oliver 和 Rosen 还联合了电气工程与计算机科学系、物理系以及 MIT 林肯实验室的其他成员。这项研究发表在Nature Physics上。
量子仿真器
像 IBM 和 Google 这样的公司正致力于构建大规模的数字量子计算机，希望在运行某些算法方面超越经典计算机。
但量子计算机不仅仅只有这一用处。量子比特及其耦合的动态还可以精确构建，来模拟电子在固体中原子间的移动行为。
“这带来了一个显而易见的应用，即使用这些超导量子计算机作为材料的模拟器。”论文合著者、MIT 研究科学家 Jeffrey Grover 说道。
与其尝试构建大规模的数字量子计算机来解决极其复杂的问题，研究人员可以将小规模量子计算机中的量子比特作为模拟设备，在受控环境下复制材料系统。
“通用数字量子模拟器前景广阔，但距离实际应用还有很长的路要走。而模拟是另一种方法，可能在短期内就能在材料研究方面产生有用的结果，这是一种直接且强大的量子硬件应用。”Rosen 解释道。“通过使用模拟量子仿真器，我可以有意设定一个起始点，然后观察随时间展开的变化。”
尽管量子比特系统与材料的特性十分相似，材料中仍有一些重要成分难以在量子计算硬件上体现。磁场就是其中之一。
在材料中，电子存在于原子轨道中。当两个原子靠近时，它们的轨道会重叠，电子可以“跳跃”到另一个原子。在磁场的作用下，这种跳跃行为变得更加复杂。
在超导量子计算机上，利用微波光子在量子比特之间的跳跃来模拟电子在原子间的跳跃。然而，由于光子并不像电子那样带电，在物理磁场中，光子的跳跃行为不会改变。
由于无法在模拟器中直接启用磁场，MIT 团队运用了一些技巧来模拟磁场的效果。
调整处理器
研究人员通过调整处理器中相邻量子比特的耦合方式，创造出电磁场在电子中引起的复杂跳跃行为。
为此，他们通过施加不同的微波信号来稍微改变每个量子比特的能量。通常情况下，研究人员会将量子比特设为相同能量，以便光子可以在它们之间跳跃。但在这一技术中，他们动态地调整每个量子比特的能量，以改变它们之间的相互作用方式。
通过精确调节这些能量水平，研究人员使光子在量子比特之间的跳跃行为与电子在磁场中在原子间跳跃的行为一致。
此外，由于他们可以精细地调节微波信号，还能够模拟出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、调制强度以及使用的微波频率。
“最具挑战性的一点是找到适合每个量子比特的调制设置，使所有 16 个量子比特同时工作。”Rosen 说道。
在找到合适的设置后，他们确认光子的动态满足电磁学的几条基础方程。他们还展示了“霍尔效应”，一种存在于电磁场中的导电现象。
这些结果表明，他们的合成电磁场的表现如同真实的电磁场。
未来，他们可以利用这一技术精确研究凝聚态物理中的复杂现象，例如材料从导体转变为绝缘体时发生的相变。
“我们的仿真器的一个优点是，只需改变调制幅度或频率，就可以模拟不同的材料系统。这样，我们可以在不需要每次都物理制造新设备的情况下，遍历多种材料特性或模型参数。”Oliver 说道。
虽然这项工作只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，Rosen 表示。
“量子计算机的美妙之处在于，我们可以准确地观察每个时间点上每个量子比特的情况，因此我们可以利用丰富的信息。未来充满令人兴奋的可能性。”他补充道。
这项工作得到了美国能源部、美国国防高级研究计划局（DARPA）、美国陆军研究办公室、奥克里奇科学与教育研究所、国家情报局局长办公室、NASA 和国家科学基金会的部分支持。
https://news.mit.edu/2024/quantum-simulator-could-uncover-materials-high-performance-electronics-1030