摘要：研究人员使用超导量子处理器创建了一个合成磁场，这可以使它们能够精确研究材料中的复杂现象，例如相变。这可能会阐明可用于创建更快或更强大的电子产品的独特材料的性能。...
量子计算机有望模仿复杂的材料，帮助研究人员更好地了解相互作用的原子和电子产生的物理特性。这可能有一天会导致发现或设计更好的半导体，绝缘体或超导体，这些导体可用于使更快，更强大，更节能的电子产品使用。
但是，在材料中发生的某些现象可能会挑战使用量子计算机模仿，从而在科学家用量子硬件探索的问题上留下了差距。
为了填补这些空白之一，麻省理工学院的研究人员开发了一种在超导量子处理器上生成合成电磁场的技术。该团队在包含16个QUAT的处理器上演示了该技术。
通过动态控制其处理器中的16个量子位如何相互耦合，研究人员能够模拟在电磁场存在下在原子之间移动电子的方式。此外，合成电磁场是广泛可调的，使科学家能够探索一系列材料特性。
模拟电磁场对于充分探索材料的特性至关重要。将来，该技术可能会阐明电子系统的关键特征，例如电导率，极化和磁化。
麻省理工学院MIT PostDoc兼量子模拟器论文的主要作者Ilan Rosen说：“量子计算机是研究材料和其他量子机械系统物理的强大工具。我们的工作使我们能够模拟更多吸引了材料科学家的丰富物理学。”
高级作者是威廉·D·奥利弗（William D. Oliver），亨利·埃利斯·沃伦（Henry Ellis Warren）电气工程和计算机科学教授，物理学，量子工程中心主任，工程量子系统组的负责人和电子研究实验室副主任。奥利弗（Oliver）和罗森（Rosen）在电气工程和计算机科学以及物理学以及麻省理工学院林肯实验室的其他部门加入。该研究今天出现在自然物理学。
量子模拟器
像IBM和Google这样的公司正在努力建立大规模的数字量子计算机，这些计算机的承诺能够通过更快地运行某些算法来胜过其经典同行。
但这并不是所有量子计算机都能做到的。量子位及其耦合的动力学也可以仔细构造，以模仿电子在固体中的原子之间移动时的行为。
麻省理工学院的研究科学家，本文合着者杰弗里·格罗弗（Jeffrey Grover）说：“这导致了一个明显的应用，即将这些超导量子计算机用作材料的仿真器。”
研究人员没有试图构建大规模的数字量子计算机来解决极其复杂的问题，而是可以在较小规模的量子计算机中使用这些量子器作为模拟设备，以在受控环境中复制材料系统。
Rosen解释说：“通用数字量子模拟器具有巨大的希望，但它们仍然很长一段路。模拟仿真是另一种可能在近期中产生有用的结果的方法，尤其是对于研究材料而言。这是量子硬件的直接和强大的应用。” “使用模拟量子模拟器，我可以故意设置一个起点，然后观察随着时间的函数展开的内容。”
尽管它们与材料非常相似，但材料中仍有一些重要的成分在量子计算硬件上很容易反映出来。一种这样的成分是磁场。
在材料中，电子在原子轨道中“活”。当两个原子彼此接近时，它们的轨道重叠，电子可以从一个原子“跳到另一个原子”。在存在磁场的情况下，跳跃行为变得更加复杂。
在超导量子计算机上，在量子位之间跳跃的微波光子用于模仿原子之间跳跃的电子。但是，由于光子不是电子等电荷颗粒，因此在物理磁场中，光子的跳跃行为将保持不变。
由于他们不能仅仅打开模拟器中的磁场，因此麻省理工学院团队采用了一些技巧来综合一个效果。
调整处理器
研究人员调整了处理器中的相邻量子位相互耦合，以创造出与电子中电磁场引起的相同复杂的跳跃行为。
为此，他们通过应用不同的微波信号来稍微改变了每个量子的能量。通常，研究人员会将Qubits设置为相同的能量，以便光子可以从一个到另一个能量。但是对于这种技术，他们动态地改变了每个量子的能量，以改变它们相互交流的方式。
通过精确调节这些能量水平，研究人员使光子以与电子在磁场中的原子之间跳跃的复杂方式之间的相同方式跳跃。
另外，由于它们可以很好地调整微波信号，因此它们可以以不同的强度和分布来模仿一系列电磁场。
研究人员进行了几轮实验，以确定为每个量牌设定的能量，调节它们的强度以及使用的微波频率。
罗森说：“最具挑战性的部分是为每个量子队找到调制设置，以便所有16个量子位立即起作用。”
一旦到达正确的设置，他们就证实了光子的动力学维护几个构成电磁基础的方程式。他们还展示了“霍尔效应”，这是一种在电磁场存在下存在的传导现象。
这些结果表明，它们的合成电磁场的行为就像真实的事物。
向前迈进，他们可以使用这项技术来精确研究凝结物理学的复杂现象，例如当材料从导体变为绝缘体时发生的相变。
“模拟器的一个不错的功能是，我们只需要更改调制幅度或频率即可模仿不同的材料系统。这样，我们可以扫描许多材料属性或模型参数，而无需每次都在物理上构建新设备。”奥利弗说。
罗森说，虽然这项工作是合成电磁场的最初证明，但它为许多潜在发现打开了大门。
他补充说：“量子计算机的美丽在于，我们可以准确地查看每个量子的每时每刻都在发生的事情，因此我们可以使用所有这些信息。我们将在未来的一个非常令人兴奋的地方。”
