布法罗大学的研究人员提出了一种强大且经济实惠的量子建模方法，即截断维格纳近似法。

其改进版本如今能在普通笔记本电脑上解决复杂的现实量子问题。这一突破可使高级量子模拟速度更快、成本更低，并让世界各地的科学家都能广泛使用。

触手可及的量子复杂性

试想一下，深入物质内部，在量子层面进行观察，在那里，难以想象的小粒子能够同时以超过万亿种不同的方式相互作用。

这种复杂程度令人咋舌。为了理解它，物理学家们常常借助强大的超级计算机或人工智能来模拟这些量子系统的行为与演变过程。

但如果其中许多模拟都能用一台普通笔记本电脑来完成呢？

科学家们早就从理论上怀疑这有可能实现，然而，要将这一设想转化为实际应用，却耗费了更长时间。

简化量子混沌

布法罗大学的研究人员现已让这一目标触手可及。他们拓展了一种名为截断维格纳近似法（TWA）的高性价比计算技术——本质上，这是一种简化量子数学运算的物理学捷径——使其能够用于解决那些曾被认为需要庞大算力才能攻克的复杂问题。

同样重要的是，他们在9月发表于《PRX Quantum》（美国物理学会期刊）的一项研究中介绍的新版旅行商算法（TWA），引入了一个清晰、易用的框架，使研究人员能够在短短几个小时内输入数据并得出可靠结果。

让量子工具触手可及

该研究的通讯作者、布法罗大学文理学院物理学助理教授杰米尔·马里诺博士（Jamir Marino, PhD）表示：“我们的方法大幅降低了计算成本，且动力学方程的构建更为简洁。我们认为，在不久的将来，这种方法有望成为在消费级计算机上探索此类量子动力学的主要工具。”

马里诺于今年秋季加入布法罗大学（UB），此前在德国美因茨约翰内斯·古腾堡大学开展研究期间完成了此项课题。该研究的共同作者包括他的两名学生——侯赛因·侯赛因巴迪（Hossein Hosseinabadi）与奥克萨娜·切尔帕诺娃（Oksana Chelpanova），其中后者现已成为布法罗大学马里诺实验室的博士后研究员。

该研究得到了美国国家科学基金会、德国研究基金会以及欧盟的资助。

拓展量子边界

并非所有量子系统都能得到精确求解。若强行求解，实则不切实际，因为随着系统复杂程度的提升，所需的计算能力会呈指数级增长。

相反，物理学家们常常会求助于一种被称为半经典物理学的理论——这是一种折中的方法，它保留了足够多的量子行为以确保精确性，同时摒弃了那些对结果影响甚微的细节。

半经典物理学的力量

TWA便是这样一种半经典方法，其历史可追溯至20世纪70年代，但它仅适用于孤立且理想化的量子系统，即系统内能量不会增减。

因此，马里诺（Marino）的团队将TWA理论拓展至现实世界中更为复杂的系统，在这些系统中，粒子不断受到外力的推拉作用，并向周围环境释放能量，这一过程亦被称为耗散自旋动力学。

马里诺表示：“在我们之前，已有众多团队尝试过此举。众所周知，某些复杂的量子系统能够通过半经典方法高效求解。”“然而，真正的挑战在于如何使其变得易于理解和操作。”

化繁为简

过去，研究人员若想运用时间缠绕算法（TWA），便会面临重重复杂难题。每当他们将此方法应用于新的量子问题时，都必须从头开始重新推导数学公式。

于是，马里诺的团队将过去那些密密麻麻、几乎难以理解的数学内容，转化为了一张简洁明了的转换表，将量子问题转化为可解的方程式。

切尔潘诺娃说：“物理学家基本上一天就能学会这种方法，到第三天左右，他们就能解决我们在研究中提出的一些最复杂的问题。”

让超级计算机专注于处理棘手难题

人们期望，这一新方法能够为真正复杂的量子系统保留超级计算集群和人工智能模型。这类系统无法通过半经典方法求解，其可能状态数不仅以万亿计，甚至超越了宇宙中原子总数。

马里诺表示：“许多看似复杂的事物，实际上并不复杂。物理学家可以在需要完整量子方法的系统中运用超级计算资源，而其余部分则能通过我们的方法迅速解决。”

参考文献：霍塞因·侯赛因巴迪（Hossein Hosseinabadi）、奥克萨娜·切尔帕诺娃（Oksana Chelpanova）和贾米尔·马里诺（Jamir Marino）所著《耗散自旋动力学的用户友好型截断维格纳近似》，发表于2025年9月8日《PRX Quantum》期刊。 DOI：10.1103/1wwv-k7hg