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全球首次实现比光子玻色子采样器具有更高保真度的原子玻色子采样器!

发布时间:2024-06-10

玻色子能够在任何时候以任意数量占据同一状态,而这会导致奇怪的行为,例如Hong-Ou-Mandel效应——两个不可分辨的光子撞击位于同一实体上的50:50分光器之后,总是从同一端口射出。涉及多个光子和分光器的类似效应对于经典计算机来说极难建模。最好的经典算法只能管控大约50个玻色子。

 

玻色子采样器能够将量子计算中的受限模型变成现实。玻色子采样器从根据可编程无相互作用动力学传播的全同玻色子的干涉所产生的分布中采样,是利用玻色子本身性质的原型量子计算机或量子模拟器。通俗地讲,也就是在输入端将特定的量子态输入系统,并在给定时间后测量系统状态。通常认为玻色子采样不存在一种有效且精确的经典模拟,于是光子学领域出现具有越来越多光子的开创性玻色子采样实验。然而很难以低损耗的方式去产生并可靠地演化特定数量的光子,因此通常使用概率技术进行后选择或显著更改标准玻色子采样。

 

2024年5月25日,科罗拉多大学研究人员在Nature期刊发表题为“An atomic boson sampler”的研究论文,科罗拉多大学Aaron W. Young博士生为论文第一作者,科罗拉多大学Adam M. Kaufman教授、Aaron W. Young博士生为论文共同通讯作者。

 

Adam M. Kaufman,科罗拉多大学副教授,研究重点是将原子、分子和光学物理学的工具应用于量子力学的微观研究;理解和揭示纠缠在复杂量子系统中的作用,无论是从基本的角度还是为了理解相关的凝聚态模型;研究如何在建立日益复杂的量子态的同时突破保持量子相干性的能力的极限。
Aaron W. Young曾是卫斯理大学电影专业的学生,但在意识到电影中涉及太多的光子后,将注意力转向了光子学和量子光学。在转到加州理工学院之前,他曾在卫斯理大学的分子光物理实验室短暂工作。后来,Aaron以研究生的身份加入了Kaufman小组。
为解决文章开头提到的挑战,Adam M. Kaufman等人在二维隧道耦合光学晶格中使用超冷原子实现了玻色子采样。该演示是通过以前未实现的工具组合完成的,这些工具涉及高保真光学冷却和晶格中原子成像,以及使用光镊对这些原子进行可编程控制。当扩展到相互作用系统时,展示出在各种哈伯德模型模拟中可直接组装基态和激发态所需的核心能力。
论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-024-07304-4
研究人员将180个全同锶-88原子放入48×48位点的正方光学晶格势中,并随机填充50-75%。成功的关键就在于使用光镊阵列来移动原子。Aaron Young解释说:“我们在这个实验中努力工作,设计光镊以真正实现单个格点的寻址。我们的光镊可比典型的光镊还要小。”
一旦原子适当放置,就会关闭光镊,然后用激光去冷却原子并将初始量子态以每个格点99.8(1)%的典型保真度进行成像。接下来,降低晶格势的深度,允许原子在格点之间隧穿。在状态演化固定时间后,再次增加晶格势的深度,紧紧地禁闭住原子,从而允许它们使用光子对原子的位置进行成像。
下一步是对系统进行测试,Young解释道。“玻色子采样器的认证与玻色子采样器的模拟一样困难”。由于不可能在合理时间内经典模拟出具有180个不可分辨原子的玻色子采样器,也无法核实这样的玻色子采样器是否产生了正确的结果,因此研究人员转而通过观察玻色子并非不可分辨的情况来间接认证。例如,冷却不完全的时候,实验中就可能会出现这种状态。
“随着我们使原子越来越能够分辨,我们开始对这个更接近于180个原子的情况进行模拟,”Young说。“在中间的某个时刻,我们越过了门槛,再次可以在普通计算机上模拟我们的问题。我们检查两件事:首先,当我们转动这个旋钮时,事情看起来表现良好,没有任何重大错误;其次,当事物变得足以分辨并进行模拟时,实验与理论一致。”结果表明,大约99.5%的原子不可分辨
图:在隧道耦合光学晶格中组装玻色子原子的福克态
图:一维多粒子量子行走
图:单粒子幺正性的表征

图:大玻色子福克态的干涉
研究结果表明,在考虑校准误差后,180个输入格点中约有166个被全同玻色子填充,这些玻色子在近似Haar随机的幺正动力学方法下演化到约1,015个输出格点,没有丢失或检测误差,成功实现了大规模的原子玻色子采样。通过量子行走,观察到了原子间复杂的干涉模式,证实了量子计算中的非经典关联。实验结果与理论预测高度一致,证明了实验装置的可靠性和量子计算模拟的可行性。结果展示出量子计算在模拟复杂物理系统(比如Hubbard模型)方面的潜力。
芝加哥大学的原子、分子和光学物理学家Cheng Chin对这项研究印象深刻。他说,鉴于与光子相比,观察到了更低的损耗,因此Kaufman团队已经证明“原子能够提供更高保真度来满足算法所要求的理想玻色子采样”。他补充说:“就这个具体问题而言,我认为这项冷原子应用是证明量子信息处理优势的卓越一步。也许现在通过Adam的方法,他可以控制玻色子的走向,并引入原子之间的相互作用,这比引入光子之间的相互作用要容易得多。它确实帮助科研人员获得了许多超出光子所能及之事的新机会。”
该团队现在打算研究如何将该系统用作可重复编程的量子逻辑平台。“在我们的系统中,我们正处于原子所处的微调点,具有非常好的近似值,彼此之间没有相互作用,但很容易重新打开相互作用。例如,这可以模拟凝聚态物理中的问题。除此之外,它甚至可以提供一条通用量子计算的途径。他指出,光镊可用于转移格点能量。“事实证明,像这样上下移动格点的能力使你可以访问一组通用控件,”Young说。
参考链接
[1] https://www.nature.com/articles/s41586-024-07304-4
[2] https://www.colorado.edu/physics/adam-kaufman
[3] https://jila.colorado.edu/kaufman/people/young
 

 

 

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