<p>現(xiàn)代物理學(xué)中一些最令人興奮的話題，比如高溫超導(dǎo)體和量子計算機的一些提議，都?xì)w結(jié)于這些系統(tǒng)在兩個量子態(tài)之間徘徊時發(fā)生的奇異現(xiàn)象。</p> <p>&nbsp;</p> <p>不幸的是，要理解這些被稱為量子臨界點的點上發(fā)生了什么，被證明具有挑戰(zhàn)性。數(shù)學(xué)運算往往很難解決，而今天的計算機并不總是能夠模擬發(fā)生的事情，特別是在涉及相當(dāng)數(shù)量原子的系統(tǒng)中。</p> <p>&nbsp;</p> <p>現(xiàn)在，斯坦福大學(xué)和能源部SLAC國家加速器實驗室的研究人員以及他們的同事已經(jīng)朝著建立一種替代方法邁出了一步，即量子模擬器。盡管目前這種新設(shè)備只模擬了兩個量子物體之間的相互作用，但研究人員在1月30日發(fā)表在《自然物理》(Nature Physics)上的一篇論文中指出，它可以相對容易地擴大規(guī)模。如果是這樣的話，研究人員可以用它來模擬更復(fù)雜的系統(tǒng)，并開始回答物理學(xué)中一些最誘人的問題。</p> <p>&nbsp;</p> <p>斯坦福大學(xué)物理學(xué)教授、斯坦福材料與能源科學(xué)研究所(SIMES)研究員大衛(wèi)&middot;戈德哈伯-戈登(David Goldhaber-Gordon)說:&ldquo;我們一直在制作數(shù)學(xué)模型，希望能捕捉到我們感興趣的現(xiàn)象的本質(zhì)，但即使我們相信它們是正確的，它們通常也無法在合理的時間內(nèi)解決&rdquo;。他說，在通往量子模擬器的道路上，&ldquo;我們有了前人從未有過的旋鈕。&rdquo;<img src="https://www6.slac.stanford.edu/sites/default/files/styles/centered/public/2023-01/quantum_simulation_SEM.png?itok=gm95RMTy" alt="A grayscale image showing the outlines of a complex electrical device." width="808" height="697" />&nbsp;電子海洋中的島嶼</p> <p><br />戈德哈伯-戈登說，量子模擬器的基本思想有點類似于太陽系的機械模型，有人轉(zhuǎn)動一個曲柄，聯(lián)鎖齒輪旋轉(zhuǎn)，代表月球和行星的運動。在2000多年前的一艘沉船中發(fā)現(xiàn)的這種&ldquo;行星&rdquo;被認(rèn)為可以定量預(yù)測日食時間和行星在天空中的位置，甚至在20世紀(jì)后期，類似的機器還被用于數(shù)學(xué)計算，這對當(dāng)時最先進的數(shù)字計算機來說太難了。</p> <p>&nbsp;</p> <p>就像太陽系力學(xué)模型的設(shè)計者一樣，構(gòu)建量子模擬器的研究人員需要確保他們的模擬器與他們要模擬的數(shù)學(xué)模型保持相當(dāng)好的一致性。</p> <p>&nbsp;</p> <p>對于Goldhaber-Gordon和他的同事來說，他們感興趣的許多系統(tǒng)&mdash;&mdash;具有量子臨界點的系統(tǒng)，比如某些超導(dǎo)體&mdash;&mdash;可以想象成一種元素的原子排列在一個周期晶格中，嵌入在一個移動電子庫中。這種材料中的晶格原子都是相同的，它們彼此之間以及與周圍的電子海洋相互作用。</p> <p>&nbsp;</p> <p>為了用量子模擬器模擬這樣的材料，模擬器需要有彼此幾乎相同的晶格原子的替代品，這些替代物需要彼此以及與周圍的電子庫發(fā)生強烈的相互作用。該系統(tǒng)還需要在某種程度上可調(diào)，以便實驗者可以改變實驗的不同參數(shù)，以深入了解模擬。</p> <p>&nbsp;</p> <p>大多數(shù)量子模擬方案不能同時滿足所有這些要求，戈德哈伯-戈登實驗室的研究生、《自然物理》論文的第一作者溫斯頓&middot;普斯(Winston Pouse)說。&ldquo;在高層次上，存在超冷原子，其中原子完全相同，但實現(xiàn)與儲層的強耦合是困難的。然后是基于量子點的模擬器，我們可以實現(xiàn)強耦合，但站點并不相同。&rdquo;Pouse說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>戈德哈伯-戈登說，法國物理學(xué)家Fr&eacute;d&eacute;ric Pierre的工作提出了一個可能的解決方案，他正在研究納米級器件，其中一個金屬島位于被稱為二維電子氣體的特別設(shè)計的電子池之間。電壓控制門調(diào)節(jié)電子在池和金屬島之間的流動。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在研究皮埃爾和他實驗室的工作時，普斯、戈德哈伯-戈登和他們的同事意識到這些設(shè)備可以滿足他們的標(biāo)準(zhǔn)。這些島&mdash;&mdash;晶格原子的替代品&mdash;&mdash;與它們周圍的電子氣體發(fā)生了強烈的相互作用，如果皮埃爾的單個島擴展成由兩個或多個島組成的群集，它們彼此之間也會發(fā)生強烈的相互作用。與其他材料相比，金屬島還具有多得多的電子狀態(tài)，這可以平均掉相同金屬的兩個不同的看不見的小塊之間的任何顯著差異&mdash;&mdash;使它們實際上完全相同。最后，系統(tǒng)可以通過控制電壓的導(dǎo)線進行調(diào)節(jié)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>一個金色的圓柱形實驗裝置，研究人員在此進行實驗</p> <p><img src="https://www6.slac.stanford.edu/sites/default/files/styles/centered/public/2023-01/dil_fridge.jpg?itok=0tBNpY6g" alt="A gold-colored, cylindrical experimental apparatus where researchers conducted their experiments. " width="808" height="1077" />&nbsp;</p> <p>一個簡單的模擬器</p> <p><br />研究小組還意識到，通過將皮埃爾的金屬島配對，他們可以創(chuàng)建一個簡單的系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)該能顯示出他們感興趣的量子臨界現(xiàn)象。</p> <p>&nbsp;</p> <p>事實證明，其中一個困難的部分是建造這些設(shè)備。首先，電路的基本輪廓必須在納米級蝕刻到半導(dǎo)體中。然后，有人必須在底層結(jié)構(gòu)上沉積和熔化一小塊金屬，以創(chuàng)建每個金屬島。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;它們很難制造，&rdquo;普斯談到這些設(shè)備時說。&ldquo;這不是一個超級干凈的過程，重要的是在金屬和底層半導(dǎo)體之間形成良好的接觸。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>盡管有這些困難，該團隊的工作是斯坦福大學(xué)和SLAC更廣泛的量子科學(xué)工作的一部分，他們能夠建造一個帶有兩個金屬島的設(shè)備，并研究電子在各種條件下如何通過它。他們的結(jié)果與在超級計算機上花費數(shù)周時間進行的計算相吻合，這意味著他們可能已經(jīng)找到了一種比以前更有效地研究量子臨界現(xiàn)象的方法。</p> <p>&nbsp;</p> <p>都柏林大學(xué)量子工程、科學(xué)和技術(shù)中心(C-QuEST)的理論物理學(xué)家、該論文的合著者安德魯&middot;米切爾(Andrew Mitchell)說:&ldquo;雖然我們還沒有建立一個具有足夠能力來解決物理學(xué)中所有開放問題的萬能可編程量子計算機，但我們現(xiàn)在可以用量子組件構(gòu)建定制的模擬設(shè)備，可以解決特定的量子物理問題。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>最終，戈德哈伯-戈登說，該團隊希望建造具有越來越多島的設(shè)備，這樣他們就可以模擬越來越大的原子晶格，捕捉真實材料的基本行為。</p> <p>&nbsp;</p> <p>然而，他們首先希望改進他們的雙島裝置的設(shè)計。其中一個目標(biāo)是減小金屬島的尺寸，這可以使它們在可接近的溫度下更好地工作:先進的超低溫&ldquo;冰箱&rdquo;可以達到絕對零度以上50度的溫度，但這對于研究人員剛剛完成的實驗來說還不夠冷。另一種方法是開發(fā)一種更可靠的制造島嶼的方法，而不是將熔化的金屬滴到半導(dǎo)體上。</p> <p>&nbsp;</p> <p>但研究人員相信，一旦這些問題得到解決，他們的工作將為物理學(xué)家在理解某些超導(dǎo)體方面取得重大進展奠定基礎(chǔ)，甚至可能是更奇特的物理學(xué)，比如模擬粒子的假想量子態(tài)，其電荷只有電子的一小部分。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;大衛(wèi)和我的一個共同點是，我們都很感激能夠進行這樣的實驗。&rdquo;普斯說，對于未來，&ldquo;我當(dāng)然很興奮。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>這項研究主要由美國能源部科學(xué)辦公室資助，早期階段得到了戈登和貝蒂摩爾基金會的支持。</p> <p>&nbsp;</p> <p>引用本文:Winston Pouse，自然物理，2023年1月30日(10.1038/s41567-022-01905-4)</p> <p>&nbsp;</p> <p>如有問題或意見，請聯(lián)系SLAC通信辦公室communications@slac.stanford.edu。</p> <p>&nbsp;</p> <p>SLAC是一個充滿活力的多項目實驗室，探索宇宙如何在最大、最小和最快的尺度上運行，并發(fā)明了全球科學(xué)家使用的強大工具。通過研究粒子物理學(xué)，天體物理學(xué)和宇宙學(xué)，材料，化學(xué)，生物和能源科學(xué)以及科學(xué)計算，我們幫助解決現(xiàn)實世界的問題，促進國家的利益。</p> <p>&nbsp;</p> <p>SLAC由斯坦福大學(xué)為美國能源部科學(xué)辦公室運營?？茖W(xué)辦公室是美國物理科學(xué)基礎(chǔ)研究的最大支持者，并致力于解決我們這個時代一些最緊迫的挑戰(zhàn)。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點。</p> </blockquote>