2024-07-13 15:39

新自旋中心的发展使量子计算向前迈进了一步

加州大学河滨分校的研究人员开发了使用自旋中心研究磁相的量子模拟器,有可能推进信息存储并实现室温量子计算。来源:SciTechDaily.com

新技术可以改进存储和传输数据的方法。

量子计算利用量子力学原理来解决包括医学和机器学习在内的各个领域的复杂挑战,这些挑战超越了传统计算机的能力。量子模拟器由可编程的相互作用量子单元组成,使科学家能够模拟复杂的物理世界模型。通过调整这些相互作用和观察模拟器的行为,研究人员可以收集关于这些模型的见解,并间接地了解现实世界。

在《物理评论B》上发表的一篇论文中,由加州大学河滨分校(UC riverside)领导的一个研究小组提出了一种称为自旋中心的量子磁性物体链,在外部磁场的存在下,可以量子模拟物质的各种磁相以及这些磁相之间的转变。

“我们正在设计容纳自旋中心的新设备,可以用来模拟和了解经典计算机无法充分研究的有趣物理现象,”领导该研究团队的物理学和天文学教授蔡山文说。“固态材料中的自旋中心是局部量子物体,在设计新的量子模拟器方面具有巨大的未开发潜力。”

图为蔡善文(左)和特洛伊·洛西。资料来源:加州大学河滨分校蔡实验室

根据蔡的研究生和论文的第一作者特洛伊·洛西(Troy Losey)的说法,这些设备的进步可以使研究更有效的存储和传输信息的方法成为可能,同时也可以开发出创建室温量子计算机所需的方法。

他说:“与最初提出的设备相比,我们对如何改进基于自旋中心的量子模拟器有很多想法。”“采用这些新想法并考虑更复杂的自旋中心排列可以帮助创建易于构建和操作的量子模拟器,同时仍然能够模拟新颖而有意义的物理。”

下面,蔡和洛西回答了关于这项研究的几个问题:

问:什么是量子模拟器?

蔡崇信:这是一种利用量子力学的不寻常行为来模拟普通计算机难以计算的有趣物理现象的设备。与使用量子位和通用门操作的量子计算机不同,量子模拟器是单独设计来模拟/解决特定问题的。通过权衡量子计算机的通用可编程性,转而利用不同量子相互作用和几何排列的丰富性,量子模拟器可能更容易实现,并为量子设备提供新的应用,这是相关的,因为量子计算机尚未普遍使用。

自旋中心是一个大约原子大小的量子磁性物体,可以放置在晶体中。它可以存储量子信息,与其他自旋中心通信,并可以用激光控制。

问:这项工作有哪些应用?

Losey:我们可以建立量子模拟器来模拟物质的奇异磁相和它们之间的相变。这些相变是非常有趣的,因为在这些相变中,不同系统的行为变得相同,这意味着有潜在的物理现象将这些不同的系统联系起来。

用于构建该设备的技术也可用于基于自旋中心的量子计算机,这是开发室温量子计算机的主要候选者,而大多数量子计算机需要极冷的温度才能运行。此外,我们的装置假设自旋中心放置在一条直线上,但可以将自旋中心放置在三维排列中。这将允许研究基于旋转的信息设备,这种设备比目前计算机使用的方法更有效。

由于量子模拟器比量子计算机更容易构建和操作,我们目前可以使用量子模拟器来解决常规计算机无法解决的某些问题,同时我们等待量子计算机变得更加精细。然而,这并不意味着量子模拟器可以毫无挑战地建造,因为我们现在正在接近足够好的操纵自旋中心,生长纯晶体,并在低温下工作,以建立我们提出的量子模拟器。

参考文献:Troy Losey、Denis R. Candido、Jin Zhang、Y. Meurice、Michael E. flatt 和s . w .的《使用固态自旋中心的自旋-12 XYZ模型的量子模拟》。Tsai, 2024年7月8日,Physical Review B. DOI: 10.1103/PhysRevB.110.014413