科技日報記者 張夢然

瑞士保羅謝爾研究所的兩位理論物理學(xué)家聯(lián)合谷歌公司及來自5個國家的大學(xué)研究人員，共同開發(fā)并測試了一種新型數(shù)字—模擬混合量子模擬器。該模擬器不僅能夠以前所未有的精確度模擬物理過程，還具有高度靈活性，能力更強(qiáng)，適用于解決從固態(tài)物理到天體物理學(xué)的廣泛問題。這一成果被視為量子計算領(lǐng)域的重要里程碑，相關(guān)論文發(fā)表在最新一期《自然》雜志上。

冷牛奶滴入熱咖啡中是如何擴(kuò)散的？這一問題即使是最快的超級計算機(jī)也難以高精度地模擬，因為其背后的量子物理過程異常復(fù)雜。1982年，諾貝爾獎得主理查德·費曼提出，使用傳統(tǒng)計算機(jī)來解決這類問題，不如用專門設(shè)計的用于模擬量子物理過程的量子模擬器更為有效。隨著量子計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，費曼的設(shè)想正逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實。

團(tuán)隊借助谷歌提供的包含69個超導(dǎo)量子比特的芯片，實現(xiàn)了數(shù)字和模擬操作模式的有效結(jié)合。實驗中，他們通過設(shè)定離散的初始條件，模擬了熱能進(jìn)入固體的過程，并展示了量子模擬器如何實現(xiàn)熱平衡狀態(tài)。這僅是新型量子模擬器所能解答的眾多有趣問題之一。這項新研究為開發(fā)通用量子模擬器奠定了基礎(chǔ)，其能力遠(yuǎn)超當(dāng)前只能處理特定物理問題的量子模擬器，應(yīng)用范圍覆蓋物理學(xué)的多個不同領(lǐng)域。

混合量子模擬器的一個研究主題是磁學(xué)。例如，在谷歌量子芯片中，量子比特與其磁性方向調(diào)整的相關(guān)特性，對基于電子自旋而非電荷的新一代計算機(jī)芯片至關(guān)重要，有助于提高內(nèi)存密度和計算速度。

此外，該量子模擬器在新材料開發(fā)中也有廣闊應(yīng)用前景，如開發(fā)高溫超導(dǎo)體、更加精準(zhǔn)且副作用更少的藥物；在天體物理學(xué)領(lǐng)域，可用于研究關(guān)于黑洞的信息悖論——量子物理學(xué)原理指出信息不會丟失，但天體物理學(xué)家認(rèn)為黑洞會摧毀與其形成相關(guān)的信息。該量子模擬器有助厘清這些復(fù)雜的天文現(xiàn)象。

總編輯圈點：

1982年，費曼指出，有一些問題的解決，用計算機(jī)不如用可以模擬量子物理過程的量子模擬器。幾十年過去，這一設(shè)想已逐步得到驗證。此次，科研人員構(gòu)建了首個數(shù)字—模擬混合量子模擬器。該裝置基于69個超導(dǎo)量子比特芯片，實現(xiàn)了對復(fù)雜量子過程的高精度模擬。它在基礎(chǔ)物理、材料科學(xué)，甚至天體物理等領(lǐng)域都具有廣闊應(yīng)用前景。今天，混合量子模擬器架起了微觀量子世界與宏觀宇宙之間的模擬橋梁，或許同時也鋪就了一條通往通用容錯量子計算機(jī)之路。