量子演化 玻色子采样新方法的概念说明。 （由史蒂文·伯罗斯/考夫曼小组提供）
美国研究人员开发了一种使用Atom而不是光子的玻色子采样器。 该团队使用其系统比使用传统（经典）计算机更准确地确定复杂的量子态。 Atom的相互作用比光子强得多，因此研究人员相信他们的系统是模拟凝聚态物质系统的有前途的平台。 展望未来，它还可以用于量子计算。
玻色子的一个定义属性是无限数量的玻色子可以在任何时候占据相同的状态。 这会导致奇怪的行为，例如红欧曼德尔效应，其中两个无法区分的光子在同一时刻撞击 50:50 分束器总是从同一个端口出来。 涉及多个光子和分束器的类似效应对于经典计算机来说极其难以建模。 最好的经典算法只能管理大约 50 个玻色子。
玻色子采样机是原量子计算机或量子模拟器，利用玻色子本身的特性。 特定的量子态在输入处被印入系统，并在给定时间后测量该状态。 然而，光子很容易在系统中丢失，这使得实现可靠的测量变得非常具有挑战性。
方形光学晶格
在这项新工作中，科罗拉多州博尔德市 JILA 的 Adam Kaufman 团队的研究人员使用Atom光学实现了玻色子采样器。 他们将 180 个锶 88 Atom放入 48×48 方位的光学晶格势中。 他们成功的关键是研究人员使用光镊阵列来移动Atom。 考夫曼当时的博士生亚伦·杨 (Aaron Young) 解释说：“我们在这个实验中努力工作，设计镊子以真正定位单个晶格位点。 我们的镊子比典型的镊子小。”
一旦研究人员将Atom放置到适当的位置，他们就关闭了镊子。 然后他们用激光冷却Atom并对初始量子态进行成像。 接下来，他们减小了晶格势的深度，使Atom能够在位点之间隧道。 在允许状态演化一段固定的时间后，他们再次增加了势深度，紧紧地限制了Atom，从而允许他们使用光子对Atom的位置进行成像。
杨解释说，下一步是测试系统。 “玻色子采样器的认证被认为与模拟玻色子采样器一样困难”。 因为不可能在合理的时间内经典地模拟 180 个不可区分Atom的玻色子采样器，也不可能检查这样的玻色子采样器是否产生正确的结果。 因此，研究人员通过研究玻色子并非无法区分的案例，转向间接证明。 例如，由于冷却不完善，实验中可能会出现这种状态。
可区分的Atom
“随着我们使Atom变得越来越可区分，我们从这个很难模拟的问题转向更接近于将单Atom问题解决 180 次的情况，”Young 说。 “在中间的某个地方，我们跨越了门槛，可以再次在普通计算机上模拟我们的问题。 我们检查两件事：首先，当我们转动这个旋钮时，一切看起来都表现良好，没有出现任何严重错误； 其次，当事物变得足够可区分以进行模拟时，实验与理论是一致的。” 结果表明，大约 99.5% 的Atom无法区分。
该团队现在打算研究如何将该系统用作可重新编程量子逻辑的平台。 “在我们的系统中，我们正处于一个微调点，Atom之间的相互作用非常接近，但很容易重新打开相互作用。” 例如，这可以模拟凝聚态物理中的问题。 除此之外，它甚至可以提供通用量子计算的途径。 他指出，光镊可以用来改变晶格位点的能量。 “事实证明，像这样上下移动站点的能力使您可以访问一组通用的控件，”Young 说。
芝加哥大学的Atom、分子和光学物理学家 Cheng Chin 对这项研究印象深刻。 他说，由于与光子相比观察到的损耗较低，考夫曼的团队已经证明Atom“为算法所需的理想玻色子采样提供了更高的保真度”。 他补充道：“就这个具体问题而言，我认为冷Atom的应用是展示量子信息处理优势的非常显着的一步。 也许现在通过亚当的方法，他可以控制玻色子的运动方向并引入Atom之间的相互作用，这比引入光子之间的相互作用要容易得多。 它确实带来了许多光子无法做到的新机会。”
这项研究在《自然》杂志上有描述。
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