研究人员成功开发了一种使用超导量子处理器的合成磁场。这一创新技术使得能够详细研究复杂材料现象，例如相变。这些发现可能为独特材料的进步铺平道路，这些材料可能导致更快或更高效的电子产品的生产。
量子计算机在模拟复杂材料方面具有巨大潜力，使科学家能够加深对从原子和电子相互作用中产生的物理特性的理解。这项研究最终可能导致更好半导体、绝缘体或超导体的创造或增强，从而产生更快、更强大且更节能的电子设备。
然而，材料中的某些现象可能在用量子计算机复制时非常棘手，这使得研究人员在量子硬件的使用上面临未解决的挑战。
为了解决这一问题，麻省理工学院的研究人员设计了一种使用超导量子处理器创建合成电磁场的方法。他们在由16个量子比特组成的处理器上展示了这一方法。
通过动态管理这16个量子比特之间的连接，团队能够模拟受电磁场影响的原子之间电子的运动。此外，这一合成电磁场可以灵活调整，从而允许探索各种材料特性。
模拟电磁场对于彻底研究材料特性是至关重要的。在未来的应用中，这一方法可以阐明电子系统的显著方面，包括导电性、极化和磁化。
“量子计算机作为研究材料物理和其他量子系统的强大工具。我们的工作拓展了模拟引人入胜的材料科学家感兴趣的丰富物理的能力，”麻省理工学院的博士后研究员、研究的首席作者伊兰·罗森（Ilan Rosen）表示。
研究的资深作者是麻省理工学院电气工程与计算机科学、物理学教授以及量子工程中心主任威廉·D·奥利弗（William D. Oliver）。奥利弗、罗森及其来自电气工程与计算机科学部门、物理学和麻省理工学院林肯实验室的同事在《自然物理学》（Nature Physics）上发表了他们的研究结果。
量子仿真器
IBM和谷歌等公司正致力于创建大型数字量子计算机，这些计算机可能通过更快地执行特定算法超越传统计算机。
然而，量子计算机的能力远不止于此。量子比特的行为及其连接可以巧妙设计，以复制电子在固体中转移时的行为。
“这带来了一个明显的应用：使用超导量子计算机作为材料仿真器，”麻省理工学院的研究科学家、论文的合著者杰弗里·格罗弗（Jeffrey Grover）解释道。
研究人员可以利用小规模量子计算机的量子比特作为类比设备，准确建模材料系统，而不是强调为极其复杂的挑战开发庞大的数字量子计算机。
“通用数字量子模拟器具有巨大潜力，但它们仍然还需要很长时间才能实现。类比仿真代表了一种替代策略，在短期内可能产生有价值的见解，特别是在材料研究方面。这是量子技术的直接而有影响力的应用，”罗森补充道。“通过类比量子仿真器，我可以故意设定初始条件，并观察随时间的演变。”
尽管与材料非常相似，但材料中的某些关键元素，如磁场，不能轻易通过量子计算硬件表示。
在材料中，电子占据原子轨道。当两个原子靠近时，它们的轨道会合并，使电子能够“跳跃”从一个原子到另一个原子。磁场的存在给这种跳跃行为增加了复杂性。
在超导量子计算机上，移动在量子比特之间的微波光子模拟电子在原子之间跳跃的行为。然而，由于光子不像电子那样带电，它们的行为在物理磁场中仍然保持一致。
由于他们无法简单地将磁场施加到模拟器上，麻省理工学院的研究人员利用几种技术来模拟其效果。
调整处理器
团队修改了邻近量子比特之间的交互方式，以复制电磁场作用于电子所导致的复杂跳跃行为。
这涉及通过发送不同的微波信号来调整每个量子比特的能级。通常情况下，量子比特设置为相同的能级，以便便于光子跳跃；然而，在这一技术中，他们变动调整每个量子比特的能量以改变它们的相互作用。
通过精确调整这些能量设置，研究人员使得光子能够在量子比特之间移动，类似于电子在磁场中在原子之间转移的方式。
此外，他们能够精确调整微波信号，使得他们能够模拟具有不同强度和排列的各种电磁场。
研究人员进行了几轮实验，以找到每个量子比特的适当能级，确定调制强度，并选择正确的微波频率。
“具有挑战性的一点是校准调制设置，以便所有16个量子比特能够同时工作，”罗森提到。
一旦他们确定了正确的参数，他们验证了光子的行为满足电磁学的几个基本方程。他们还演示了“霍尔效应”，这一现象在电磁场存在时被观察到。
这些成就确认他们的合成电磁场的行为与真实的电磁场类似。
展望未来，这一技术可能使得能够深入研究凝聚态物理中的复杂现象，例如材料从导电状态转变为绝缘状态时发生的相变。
“我们仿真器的一个关键优势是我们可以轻松更改调制幅度或频率以模拟各种材料系统。这使得能够探索许多材料特性或模型特征，而不需要每次都重新制造新设备，”奥利弗表示。
虽然这项研究代表了对合成电磁场的初步探索，但根据罗森的说法，它为众多发现打开了潜力。
“量子计算机的美在于我们能够观察每个量子比特在每个时刻到底发生了什么。因此我们手中有着丰富的信息。我们正处于一个未来激动人心的十字路口，”他补充道。
