自旋核推动量子计算进步

加利福尼亚州里弗赛德 — — 量子计算利用量子力学定律，能够解决从医学到机器学习等各个领域的紧迫问题，这些问题对于传统计算机来说过于复杂。 量子模拟器是由相互作用的量子模块组成的设备，可以通过编程来模拟物理世界的复杂模型。 然后，科学家可以通过以受控方式改变相互作用并使用量子模拟器测量由此产生的行为来获得有关这些模型的信息，从而获得有关现实世界的信息。

在 研究论文发表在Physical Review B杂志上由加州大学河滨分校领导的一个研究小组提出了一系列称为自旋中心的量子磁性物体，它们可以在外部磁场存在的情况下，量子模拟物质的各种磁性相以及转变在这些阶段之间。

“我们正在设计包含旋转中心的新设备，可用于模拟和了解传统计算机无法充分研究的有趣物理现象，”他说。 单文才， 先生 物理学和天文学“固态材料中的自旋中心是局域化的量子物体，在设计新的量子模拟器方面具有巨大的未开发潜力。”

根据 特洛伊·洛齐该论文的研究生兼第一作者蔡说，这些设备的进步可能使研究更有效的存储和传输信息的方法成为可能，同时开发创建室温量子计算机所需的方法。

他说：“我们对如何在最初提出的设备上改进基于自旋中心的量子模拟器有几个想法，”使用这些新想法并研究更复杂的自旋中心排列可以帮助创建更容易构建和使用的量子模拟器。运行，“继续能够模拟新的、合理的物理现象。”

下面，Tsai 和 Lucy 回答了有关该研究的几个问题：

问：什么是量子模拟器？

蔡：这是一种利用量子力学的不寻常行为来模拟普通计算机难以计算的有趣物理现象的设备。 与使用量子位和通用门操作运行的量子计算机不同，量子模拟器是单独设计的，用于模拟/解决特定问题。 通过牺牲量子计算机的通用编程，转而利用不同量子相互作用和几何排列的丰富性，可能会更容易实现量子模拟器并为量子设备提供新的应用，这一点很重要，因为量子计算机尚未普遍使用。

自旋中心是一个量子磁性物体，其大小与原子大致相同，可以容纳在晶体中。 它可以存储量子信息，与其他自旋中心通信，并受激光控制。

问：这项工作有哪些应用？

Lozi：我们可以构建所提出的量子模拟器来模拟物质的奇异磁相以及它们之间的相变。 这些相变非常重要，因为非常不同的系统的行为在这些转变时变得相同，这意味着存在连接这些不同系统的基本物理现象。

用于构建该设备的技术也可用于基于自旋中心的量子计算机，这是开发室温量子计算机的主要候选者，而大多数量子计算机需要极冷的温度才能运行。 此外，我们的设备假设旋转中心放置在一条直线上，但也可以将旋转中心放置在三维布置中。 这可能允许研究基于旋转的信息设备，这些设备比计算机当前使用的方法更有效。

由于量子模拟器比量子计算机更容易构建和运行，因此我们目前可以使用量子模拟器来解决常规计算机无法处理的某些问题，同时等待量子计算机变得更加准确。 然而，这并不意味着可以毫无挑战地构建量子模拟器，因为我们现在已经足够擅长操纵自旋中心、形成纯晶体以及在低温下工作以构建我们提出的量子模拟器。

加州大学河滨分校是一所博士研究型大学，也是探索南加州内陆、该州和世界各地社区关键问题的活实验室。 加州大学河滨分校拥有超过 26,000 名学生，反映了加州的多元化文化。 该校园于 2013 年开设了一所医学院，并通过加州大学河滨分校棕榈沙漠中心与科切拉山谷的中心地带相连。 该校园每年对美国经济的影响超过 27 亿美元。 要了解更多信息，请访问 www.ucr.edu。