新的光子学工具包：通过光无线电进行量子模拟

人们对量子模拟器目前正进行深入的研究过程中：当传统甚至超级计算机失效时，他们承诺精确计算复杂量子系统的特性。在一个最新的合作的项目中，来自位于加兴的马克斯普朗克量子光学研究所（Max Planck Institute of Quantum Optics）的理论学家们，即Consejo Superior de Investigaciones Encient_ficas（CSIC），现已开发出一种新的量子模拟器工具箱，并将其发表在《科学进展Science Advances》杂志上。它利用曾获得诺贝尔奖的拓扑学原理，允许量子位（例如单个原子）通过“拓扑学无线电频道”相互通信。“无线电频道”由光场提供，光场在拓扑的帮助下以稳健的方式在波导中传播。这个概念为从基础研究到量子信息的全新思想提供了空间。

上图所示为原子在“拓扑波导”附近作为量子比特工作的艺术化示意图。

 “我们怎么能让两个遥远的量子比特互相‘交谈’？” Alejandro González-Tudela问道。“这是量子信息和模拟领域的一个重要挑战！”直到最近，理论物理学家还是伊格纳西奥·西拉系的博士后研究员，他是马克斯普朗克量子光学研究所所长，现在他是马德里的IFF-CSIC研究所的常任研究员。他与CIRAC以及马德里材料研究所的两位西班牙同事一起，发表了一篇科学论文，介绍了一个全新的光子学工具箱。光子学是物理学的一个分支，研究光与物质之间的相互作用及其技术应用。 

一个可能的应用是所谓的量子模拟，它可以追溯到著名的美国诺贝尔奖获得者理查德·费曼的想法。如果要在传统计算机上尽可能精确地计算量子系统的行为，所需的计算能力将随着系统中每一个新的量子粒子而加倍。由于这种数学雪崩，即使是由几十个粒子组成的相对较小的量子系统，也会超过传统超级计算机的性能。出于这个原因，费曼在几十年前就有了在另一个量子系统的帮助下模拟一个量子系统的行为的想法。原则上，这种量子模拟器是一种专用的量子计算机，它的单个量子位可以很容易地从外部进行控制，而与它应该模拟的行为相当不可访问的量子系统相比。 

这种量子模拟器多年来一直是研究的热点。例如，他们承诺对超导性或复磁学等材料性质提供更好的理解。他们在德国加尔兴研究所也发挥了重要作用。例如，模拟器可以由困在激光空间晶格中的超冷原子云组成。如果这些量子比特或者简称量子比特相互作用，它们通过交换光量子（光子）来实现。然而，一个原子通常在某个随机方向发射这样一个光子。如果量子比特可以直接将其光子靶向它的下一个或下一个邻居，但只有一个邻居，那么量子模拟的效率会更高。