通过将数字控制与模拟仿真相结合，科学家们创造了一种功能强大的新型量子模拟器，突破了传统限制。
这种混合系统能够在自然模拟现实世界物理现象的同时精确操控量子态，从而在磁学、超导体，甚至天体物理学等领域取得突破。
量子模拟取得突破
谷歌实验室的物理学家们开发了一种新型数字模拟量子模拟器，该模拟器以前所未有的精确度和适应性研究复杂的物理过程。来自瑞士保罗谢勒研究所（PSI）科学计算、理论和数据中心的两名研究人员在这一突破中发挥了关键作用。
想想将冷牛奶倒入热咖啡这一简单动作——它是如何扩散和混合的呢？即使是最先进的超级计算机也很难高精度地模拟这一过程，因为其背后的量子力学原理极其复杂。1982年，诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼提出了一种替代方案：与其使用经典计算机，为何我们不建造能直接模拟量子物理过程的量子计算机呢？如今，随着量子计算的飞速发展，费曼的愿景比以往任何时候都更接近成为现实。
量子计算领域的一个里程碑
来自保罗谢勒研究所（PSI）的两位理论物理学家安德烈亚斯·劳赫利（Andreas Läuchli）和安德烈亚斯·埃尔本（Andreas Elben）与来自谷歌及五个国家大学的研究人员携手合作，构建并成功测试了一种新型数字模拟量子模拟器。这一成果具有里程碑意义，因为其模拟器不仅能够以前所未有的精确度计算物理过程，而且其概念还极具灵活性，这意味着它可以应用于从固体物理学到天体物理学等诸多不同的问题。相关研究成果已于今日发表在知名科学期刊《自然》上。
结合模拟与数字
新型量子处理器的一个关键方面是，谷歌开发的量子芯片上的69个超导量子比特（qubits）既支持数字操作模式，也支持模拟操作模式。数字量子计算机使用通用量子门执行运算，这与经典计算机中的逻辑门类似。不同的是，得益于量子力学的叠加原理，量子比特不仅可以处于0和1的状态，还可以处于多种中间状态。
尽管这种纯数字量子计算机已经非常强大，但它们作为量子模拟器的潜力仍然有限。而另一方面，模拟量子模拟器依赖于物理过程的直接模拟，可以真实地模拟不同粒子间的相互作用，例如用于研究固体的磁性。这两种方法——数字和模拟——如今首次被成功结合，这一实验将两者的优势融为一体。
模拟复杂物理过程
为此，物理学家定义了离散的初始条件，例如将热量引入固体中——这是数字模式。这使得能够精确且灵活地定义起始条件。以咖啡杯为例，在这个类比中，这就像是同时在一百个不同的指定位置，用一个牛奶壶以受控的方式倾倒牛奶滴。随后牛奶在咖啡中扩散的过程对应于模拟模式。量子位之间的相互作用模拟了物理动力学，如热量传播或磁畴的形成，就像在真实固体中发生的一样。
“我们可以观察量子模拟器达到热平衡的过程——或者，以咖啡为例：牛奶被倒入咖啡中并且温度逐渐一致化，”PSI 的终身轨科学家安德烈亚斯·埃尔本 (Andreas Elben) 介绍道。“我们的研究表明，在芯片上创建超导模拟-数字量子处理器是可行的，而且它们适合用作量子模拟器，”安德烈亚斯·劳克利 (Andreas Läuchli) 指出。
迈向通用量子模拟器
然而，热化（即达到热平衡的过程）只是众多激动人心的问题之一，这些问题都可以利用新型量子模拟器来解答。本研究中展示的概念为通用量子模拟器的研发奠定了基础，并将用于物理学的众多不同领域。它的功能超出了现有模拟量子模拟器的范畴，因为后者每种只能解决特定的物理问题。
可以用这种方法研究的一个课题就是莱奇利的专长——磁性。谷歌量子芯片中的量子位以矩形排列，在初始状态下，它们磁场的方向严格交替。但如果芯片是三角形呢？这可能会打乱整齐的排列，因为量子位无法按照它们自然呈现的规律来调整自身的磁方向。这种现象被称为阻挫磁性，例如，它与计算机芯片有关，这种芯片不是基于电子的电荷而是基于电子的磁自旋来切换和存储比特，因此备受关注。这能实现更高的内存密度和更快的计算速度。
应用领域的扩展：从超导体到黑洞
新材料（例如高温超导体）乃至可更精确使用且副作用更少的药物等开发领域，正在开拓进一步的应用。量子模拟器甚至在天体物理学领域也炙手可热。其中一个例子就是所谓的信息悖论，它表明量子力学中不应丢失任何信息。然而，天体物理学家认为，黑洞实际上会销毁其形成的相关信息——新型量子模拟器或许可以阐明其中情况。
量子模拟器的未来
安德烈亚斯·劳赫利承诺道：“我们的量子模拟器为新的研究开辟了道路。”尽管与谷歌的合作项目已经结束，但许多其他物理问题仍等待着他和他在保罗谢勒研究所的团队去解决。在苏黎世联邦理工学院和保罗谢勒研究所的量子计算中心及其他地方，人们正在包括离子阱、超导量子位和里德伯原子在内的各种技术平台上开发量子计算机和量子模拟器。这些系统很快将使得人们能够在保罗谢勒研究所研究量子物理学提出的激动人心的问题。
安德烈亚斯·劳赫利（Andreas Läuchli）说：“我们还为保罗谢勒研究所（PSI）大型研究设施的新实验提供创意来源。当研究人员在这些设施中进行实验而得出令人惊讶的结果时，我们会为他们提供支持。在未来，我们将越来越多地使用量子模拟器来实现这一目标。”
参考文献：《模拟-数字量子模拟器上的热化和临界性》，由T. I. Andersen、N. Astrakhantsev、A. H. Karamlou、J. Berndtsson、J. Motruk、A. Szasz、J. A. Gross、A. Schuckert、T. Westerhout、Y. Zhang、E. Forati、D. Rossi、B. Kobrin、A. Di Paolo、A. R. Klots、I. Drozdov、V. Kurilovich、A. Petukhov、L. B. Ioffe、A. Elben、A. Rath、V. Vitale、B. Vermersch、R. Acharya、L. A. Beni、K. Anderson、M. Ansmann、F. Arute、K. Arya、A. Asfaw、J. Atalaya、B. Ballard、J. C. Bardin、A. Bengtsson、A. Bilmes、G. Bortoli、A. Bourassa、J. Bovaird、L. Brill、M. Broughton、D. A. Browne、B. Buchea、B. B. Buckley、D. A. Buell、T. Burger、B. Burkett、N. Bushnell、A. Cabrera、J. Campero、H.-S. Chang、Z. Chen、B. Chiaro、J. Claes、A. Y. Cleland、J. Cogan、R. Collins、P. Conner、W. Courtney、A. L. Crook、S. Das、D. M. Debroy、L. De Lorenzo、A. Del Toro Barba、S. Demura、P. Donohoe、A. Dunsworth、C. Earle、A. Eickbusch、A. M. Elbag、M. Elzouka、C. Erickson、L. Faoro、R. Fatemi、V. S. Ferreira、L. Flores Burgos、A. G. Fowler、B. Foxen、S. Ganjam、R. Gasca、W. Giang、C. Gidney、D. Gilboa、M. Giustina、R. Gosula、A. Grajales Dau、D. Graumann、A. Greene、S. Habegger、M. C. Hamilton、M. Hansen、M. P. Harrigan、S. D. Harrington、S. Heslin、P. Heu、G. Hill、M. R. Hoffmann、H.-Y. Huang、T. Huang、A. Huff、W. J. Huggins、S. V. Isakov、E. Jeffrey、Z. Jiang、C. Jones、S. Jordan、C. Joshi、P. Juhas、D. Kafri、H. Kang、K. Kechedzhi、T. Khaire、T. Khattar、M. Khezri、M. Kieferová、S. Kim、A. Kitaev、P. Klimov、A. N. Korotkov、F. Kostritsa、J. M. Kreikebaum、D. Landhuis、B. W. Langley、P. Laptev、K.-M. Lau、L. Le Guevel、J. Ledford、J. Lee、K. W. Lee、Y. D. Lensky、B. J. Lester、W. Y. Li、A. T. Lill、W. Liu、W. P. Livingston、A. Locharla、D. Lundahl、A. Lunt、S. Madhuk、A. Maloney、S. Mandrà、L. S. Martin、O. Martin、S. Martin、C. Maxfield、J. R. McClean、M. McEwen、S. Meeks、K. C. Miao、A. Mieszala、S. Molina、S. Montazeri、A. Morvan、R. Movassagh、C. Neill、A. Nersisyan、M. Newman、A. Nguyen、M. Nguyen、C.-H. Ni、M. Y. Niu、W. D. Oliver、K. Ottosson、A. Pizzuto、R. Potter、O. Pritchard、L. P. Pryadko、C. Quintana、M. J. Reagor、D. M. Rhodes、G. Roberts、C. Rocque、E. Rosenberg、N. C. Rubin、N. Saei、K. Sankaragomathi、K. J. Satzinger、H. F. Schurkus、C. Schuster、M. J. Shearn、A. Shorter、N. Shutty、V. Shvarts、V. Sivak、J. Skruzny、S. Small、W. Clarke Smith、S. Springer、G. Sterling、J. Suchard、M. Szalay、A. Sztein、D. Thor、A. Torres、M. M. Torunbalci、A. Vaishnav、S. Vdovichev、B. Villalonga、C. Vollgraff Heidweiller、S. Waltman、S. X. Wang、T. White、K. Wong、B. W. K. Woo、C. Xing、Z. Jamie Yao、P. Yeh、B. Ying、J. Yoo、N. Yosri、G. Young、A. Zalcman、N. Zhu、N. Zobrist、H. Neven、R. Babbush、S. Boixo、J. Hilton、E. Lucero、A. Megrant、J. Kelly、Y. Chen、V. Smelyanskiy、G. Vidal、P. Roushan、A. M. Läuchli、D. A. Abanin和X. Mi于2025年2月5日发表于《自然》杂志。 DOI：10.1038/s41586-024-08460-3
