都柏林的IBM与三一学院的量子物理学家合作，在量子计算机上成功模拟了一组相互作用的量子粒子中的超扩散现象。这是在量子计算硬件上进行极具挑战性的量子输运计算的第一步，随着硬件的不断改进，这项工作有望为凝聚态物理学和材料科学带来新的启示。这项工作是最近成立的TCD-IBM博士生奖学金计划的首批成果之一，该计划使IBM雇佣博士生作为员工，同时在三一学院接受联合指导。该论文最近发表在领先期刊《自然·量子信息》上。

IBM是量子计算这一令人兴奋的领域的全球领导者。在这项研究中使用的早期量子计算机由27个超导量子位（量子逻辑的构建单元）组成，物理上位于IBM位于纽约约克敦高地的实验室，并通过远程方式编程。量子计算目前是最令人兴奋的技术之一，预计在未来十年内将逐渐接近商业应用。除了商业应用之外，量子计算机还能帮助解决一些迷人的基础问题。三一学院和IBM都致力于解决与量子模拟有关的这一问题。

解释这项工作的重要性以及量子模拟的概念，新成立的三一量子联盟的负责人、三一学院的约翰·古尔德教授解释道：“一般来说，用传统计算机模拟许多相互作用成员组成的复杂量子系统的动力学问题是一个巨大的挑战。考虑一下这个特定设备上的27个量子位。在量子力学中，这样一个系统的状态可以通过一个被称为波函数的物体来数学描述。为了用标准计算机描述这个物体，你需要在内存中存储大量的系数，而需求随着量子位的增加而呈指数级增长；在这次模拟中大约需要1.34亿个系数。”

“当你将这个系统扩展到300个量子位时，你需要的系数数量将超过可观察宇宙中的原子数，以描述这样一个系统，没有经典计算机能够准确捕获系统的状态。换句话说，我们在模拟量子系统时遇到了困难。使用量子系统来模拟量子动力学的想法可以追溯到美国诺贝尔奖得主理查德·费曼提出的，他认为用量子系统最能够模拟量子系统。原因很简单-你可以自然地利用量子计算机被波函数描述的事实，从而避免了对状态进行指数级的经典资源存储。”

那么这个团队究竟模拟了什么？古尔德教授继续说道：“一些最简单的非平凡量子系统是自旋链。这些链是由小型相互连接的磁体，被称为自旋，组成的系统，它们模拟了更复杂的材料并用于理解磁性。我们对一个称为海森堡链的模型感兴趣，特别关注自旋激发如何在整个系统中传输的长时间行为。在这个长时间极限下，量子多体系统进入一个流体动力学的状态，而传输可以用描述经典流体的方程来描述。”

“我们对特定的情况感兴趣，其中由于基本物理规律受到称为Kardar-Parisi-Zhang方程的影响，出现了超扩散现象。这是一种通常描述表面或界面随时间的随机增长的方程，就像雪在暴风雪中的高度增长、咖啡杯上的污渍随时间的增长、绒毛起火的方式。传播被认为是超扩散输运。这种输运随着系统尺寸的增加而变得更快。令人惊奇的是，在量子动力学中出现了描述这些现象的相同方程，而我们能够使用量子计算机加以证实。这是这项工作的主要成就。”

编写量子计算机程序面临的最大问题是在噪声存在的情况下执行有用计算。芯片级别的运算是不完美的，而且计算机对来自实验室环境的干扰非常敏感。因此，希望将有用的程序运行时间最小化，因为这将缩短错误和干扰发生并影响结果的时间。

IBM在推进量子计算技术方面有着悠久的历史，不仅积累了几十年的研究经验，而且还提供了规模最大、最全面的商业量子计划和生态系统。我们与三一学院的合作，通过量子科学与技术硕士和博士项目得以体现，这已经取得了有希望的成果。