EPFL物理學(xué)家們提出了一種新的“量子模擬器”：一種基于激光的設(shè)備，可以用來研究大范圍的量子系統(tǒng)。研究人員發(fā)現(xiàn)，光子在接近絕對零度的溫度下可以表現(xiàn)得像磁偶極子，這符合量子力學(xué)定律。

簡單的模擬器可以更好地理解復(fù)雜材料在這種極端條件下的性能。當受到量子力學(xué)定律的約束時，由許多相互作用粒子組成的系統(tǒng)可以表現(xiàn)出如此復(fù)雜的行為，以至于它的定量描述超出了世界上最強大計算機的能力。

博科園-科學(xué)科普：1981年，有遠見卓識的物理學(xué)家理查德·費曼提出：可以用一種由同樣量子定律控制的人工設(shè)備來模擬這種復(fù)雜行為，這種人工設(shè)備后來被稱為“量子模擬器”。復(fù)雜量子系統(tǒng)的一個例子是放置在低溫下的磁鐵。接近絕對零度(-273.15攝氏度)時，磁性材料可能會經(jīng)歷所謂的“量子相變”。就像傳統(tǒng)相變(比如冰融化成水，或者水蒸發(fā)成蒸汽)一樣，系統(tǒng)仍然在兩種狀態(tài)之間切換，除了接近相變點時系統(tǒng)表現(xiàn)出量子糾纏——量子力學(xué)預(yù)測的最深刻特征。對實驗物理學(xué)家來說，在真實材料中研究這種現(xiàn)象是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

但是由EPFL文森佐·薩沃納(Vincenzo Savona)領(lǐng)導(dǎo)的物理學(xué)家們現(xiàn)在提出了一個量子模擬器，有望解決這個問題。薩沃納實驗室的博士后里卡多·羅塔(Riccardo Rota)說：這個模擬器是一個簡單的光子設(shè)備，可以很容易地用當前的實驗技術(shù)建造和運行。但更重要的是，它可以模擬真實、相互作用的磁鐵在非常低溫度下的復(fù)雜行為。模擬器可以使用超導(dǎo)電路建造——現(xiàn)代量子計算機使用的技術(shù)平臺相同。這些電路與激光場耦合，從而在光粒子(光子)之間產(chǎn)生有效的相互作用。當研究模擬器時，發(fā)現(xiàn)在真實材料中，光子在量子相變中的表現(xiàn)與磁偶極子相同。

簡而言之，現(xiàn)在可以用光子在量子磁體上進行虛擬實驗，而不必自己設(shè)置實驗。薩沃納說：我們是理論家，想到了這個特殊量子模擬器的想法，并用傳統(tǒng)計算機模擬來模擬它的行為，當量子模擬器處理一個足夠小的系統(tǒng)時，就可以做到這一點。研究結(jié)果證明，所提出的量子模擬器是可行的，目前正在與希望實際建造并使用實驗來驗證?？梢岳斫獾氖?，模擬器可以應(yīng)用于廣泛的量子系統(tǒng)，能使物理學(xué)家研究幾個復(fù)雜的量子現(xiàn)象，這是量子技術(shù)發(fā)展的一個真正顯著進步。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自:?Ecole Polytechnique Federale de Lausanne

參考期刊文獻:《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.110405

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