来自奥地利和美国的研究人员设计了一种新型量子计算机，利用费米子原子来模拟复杂的物理系统。该处理器使用可编程中性原子阵列，并且能够使用费米子门以硬件高效的方式模拟费米子模型。
PeterZoller领导的团队演示了新型量子处理器如何有效地模拟量子化学和粒子物理学中的费米子模型。该论文发表在《美国国家科学院院刊》杂志上。
费米子原子是遵守泡利不相容原理的原子，这意味着它们中的任何两个不能同时占据相同的量子态。这使得它们非常适合模拟费米子统计发挥关键作用的系统，例如分子、超导体和夸克-胶子等离子体。
“在基于量子位的量子计算机中，需要专门投入额外的资源来模拟这些特性，通常以额外的量子位或更长的量子电路的形式，”量子光学和量子研究所Zoller领导的研究小组的DanielGonzalezCuadra解释道。奥地利科学院(ÖAW)和奥地利因斯布鲁克大学理论物理系的信息(IQOQI)。
费米子粒子中的量子信息
费米子量子处理器由费米子寄存器和一组费米子量子门组成。“寄存器由一组费米子模式组成，这些模式可以是空的，也可以被单个费米子占据，这两种状态形成了量子信息的局部单元，”冈萨雷斯·夸德拉说。“我们想要模拟的系统状态，例如由许多电子组成的分子，通常是许多占据模式的叠加，可以直接编码到这个寄存器中。”
然后使用费米子量子电路处理该信息，该电路旨在模拟分子的时间演化等。任何这样的电路都可以分解为仅由两种类型的费米子门组成的序列：隧道门和相互作用门。
研究人员建议将费米子原子捕获在光镊阵列中，这些光镊是高度聚焦的激光束，可以高精度地固定和移动原子。“所需的费米子量子门组可以在这个平台上本地实现：隧道门可以通过控制两个光镊之间原子的隧道来获得，而相互作用门是通过首先将原子激发到里德伯态来实现的，带有强偶极矩，”冈萨雷斯·夸德拉说。
量子化学到粒子物理学
费米子量子处理对于模拟由许多相互作用的费米子组成的系统的特性特别有用，例如分子或材料中的电子，或质子内的夸克，因此在从量子化学到粒子物理学的许多领域都有应用。研究人员展示了他们的费米子量子处理器如何有效地模拟量子化学和晶格规范理论中的费米子模型，这两个重要的物理学领域很难用经典计算机来解决。
“通过使用费米子来编码和处理量子信息，模拟系统的一些属性在硬件级别上得到了本质上的保证，这将需要在基于标准量子位的量子计算机中提供额外的资源，”GonzalezCuadra说。
“我对该领域的未来感到非常兴奋，我希望通过确定费米子量子处理最有前途的应用以及设计可以在近期设备中运行的定制算法来继续为其做出贡献。”