現(xiàn)代物理學(xué)中一些最激動人心的話題，例如高溫超導(dǎo)體和量子計算機的一些提議，歸結(jié)為當(dāng)這些系統(tǒng)在兩個量子態(tài)之間徘徊時發(fā)生的奇異事物。

不幸的是，事實證明，了解在這些點(稱為量子臨界點)發(fā)生的事情具有挑戰(zhàn)性。數(shù)學(xué)往往太難解決，今天的計算機并不總是能夠模擬發(fā)生的事情，特別是在涉及任何可觀數(shù)量原子的系統(tǒng)中。

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及其同事已經(jīng)朝著建立一種稱為量子模擬器的替代方法邁出了一步。盡管新設(shè)備目前只能模擬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《自然物理學(xué)》( Nature Physics ) 雜志上的一篇論文中指出，它可以相對容易地按比例放大。如果是這樣，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。

“我們一直在制作數(shù)學(xué)模型，我們希望這些模型能夠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”，使用當(dāng)前的方法，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)·戈德哈伯-戈登 (David Goldhaber-Gordon) 說。他說，有了通往量子模擬器的道路，“我們擁有了這些以前從未有過的旋鈕。”

電子海中的島嶼

Goldhaber-Gordon 說，量子模擬器的基本理念有點類似于太陽系的機械模型，有人轉(zhuǎn)動曲柄，聯(lián)鎖齒輪旋轉(zhuǎn)以代表月球和行星的運動。這種在 2000 多年前的沉船殘骸中發(fā)現(xiàn)的“太陽系儀”被認為已經(jīng)對日食時間和行星在天空中的位置進行了定量預(yù)測，并且類似的機器甚至在 20 世紀(jì)后期就被用于數(shù)學(xué)計算，這太過分了。這對于當(dāng)時最先進的數(shù)字計算機來說是困難的。

就像太陽系機械模型的設(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)模型合理地對齊。

對于 Goldhaber-Gordon 和他的同事來說，他們感興趣的許多系統(tǒng)——具有量子臨界點的系統(tǒng)，例如某些超導(dǎo)體——可以想象為一種元素的原子，它們排列在嵌入移動電子庫中的周期性晶格中。這種材料中的晶格原子都是相同的，它們彼此相互作用，并與周圍的電子海相互作用。

要使用量子模擬器對此類材料進行建模，模擬器需要具有彼此幾乎相同的晶格原子的替代物，并且這些原子之間以及與周圍的電子庫之間需要發(fā)生強烈的相互作用。該系統(tǒng)還需要以某種方式可調(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。

Goldhaber-Gordon 實驗室的研究生、《自然物理學(xué)》論文的第一作者 Winston Pouse 說，大多數(shù)量子模擬提案并不能同時滿足所有這些要求。“在高層次上，存在超冷原子，其中的原子完全相同，但很難實現(xiàn)與儲層的強耦合。然后是基于量子點的模擬器，我們可以在其中實現(xiàn)強耦合，但站點是不完全相同，”Pouse 說。

Goldhaber-Gordon 說，法國物理學(xué)家弗雷德里克·皮埃爾 (Frédéric Pierre) 的工作提出了一個可能的解決方案，他正在研究納米級設(shè)備，在這些設(shè)備中，金屬島位于專門設(shè)計的電子池之間，稱為二維電子氣。電壓控制門調(diào)節(jié)池和金屬島之間的電子流動。

在研究 Pierre 和他的實驗室的工作時，Pouse、Goldhaber-Gordon 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——晶格原子的替代物——與它們周圍的電子氣發(fā)生了強烈的相互作用，如果皮埃爾的單個島擴展為兩個或更多個島的集群，它們之間也會發(fā)生強烈的相互作用。與其他材料相比，金屬島還具有大量的電子態(tài)，這具有平均化同一金屬的兩個不同的不可見微小塊之間的任何顯著差異的效果 - 使它們實際上相同。最后，該系統(tǒng)可通過控制電壓的電線進行調(diào)諧。

一個簡單的模擬器

該團隊還意識到，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)該會顯示出他們感興趣的量子臨界現(xiàn)象。

事實證明，其中一個困難的部分實際上是制造設(shè)備。首先，電路的基本輪廓必須用納米級蝕刻到半導(dǎo)體中。然后，必須有人將一小塊金屬沉積并熔化到底層結(jié)構(gòu)上，以創(chuàng)建每個金屬島。

“它們很難制造，”Pouse 談到這些設(shè)備時說?！斑@不是一個超級清潔的過程，重要的是要在金屬和下面的半導(dǎo)體之間建立良好的接觸”。

盡管存在這些困難，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，他們能夠構(gòu)建一個具有兩個金屬島的設(shè)備，并研究電子在各種條件下如何穿過它。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——暗示他們可能已經(jīng)找到一種比以前更有效地研究量子臨界現(xiàn)象的方法。

都柏林大學(xué)量子工程、科學(xué)和技術(shù)中心 (C) 的理論物理學(xué)家安德魯·米切爾 (Andrew Mitchell) 說：“雖然我們還沒有構(gòu)建出具有足夠能力解決物理學(xué)中所有未解決問題的通用可編程量子計算機。 -QuEST)和該論文的合著者，“我們現(xiàn)在可以構(gòu)建帶有量子組件的定制模擬設(shè)備，可以解決特定的量子物理問題?！?

最終，Goldhaber-Gordon 說，該團隊希望構(gòu)建具有越來越多島的設(shè)備，以便他們可以模擬越來越大的原子晶格，捕捉真實材料的基本行為。

然而，首先，他們希望改進他們的雙島裝置的設(shè)計。一個目標(biāo)是減小金屬島的尺寸，這可以使它們在可達到的溫度下更好地運行：尖端的超低溫“冰箱”可以將溫度降至絕對零以上的五十分之一度，但這幾乎不夠冷對于研究人員剛剛完成的實驗。另一種方法是開發(fā)一種比將熔化的金屬滴到半導(dǎo)體上更可靠的工藝來創(chuàng)建島。

但是，研究人員認為，一旦解決了這些問題，他們的工作就可以為物理學(xué)家對某些類型的超導(dǎo)體的理解取得重大進展奠定基礎(chǔ)，甚至可能為更奇特的物理學(xué)奠定基礎(chǔ)，例如模擬粒子的假設(shè)量子態(tài)只有一小部分一個電子的電荷。

Pouse 說：“David 和我分享的一件事是，對進行這樣的實驗甚至是可能的事實表示贊賞，”對于未來，“我當(dāng)然很興奮?！?