物理学家顺利模拟相互作用量子粒子系统中的超级扩散

发布时间：2023-10-13 10:32:40 所属栏目：外闻来源：转载

导读： 　　在和IBM的合作中，圣三一学院的物理学教授带领团队成功运行了量子模拟程序以研究相互作用的量子体系的巨大多散性。这是在量子硬件上进行高难度量子传输计算的第一步，随着硬件的不断改

　　在和IBM的合作中，圣三一学院的物理学教授带领团队成功运行了量子模拟程序以研究相互作用的量子体系的巨大多散性。这是在量子硬件上进行高难度量子传输计算的第一步，随着硬件的不断改进，这项工作有望为凝聚态物理和材料科学带来新的启示。

　　IBM 是令人兴奋的量子计算领域的全球领导者。这项研究中使用的早期量子计算机由27个超导量子比特组成（量子比特是量子逻辑的构件），物理上位于IBM位于纽约克城高地的实验室内，并在都柏林进行远程编程。

　　量子计算是目前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，量子计算机还能帮助解决一些令人着迷的基本问题。都柏林圣三一大学和 IBM 的团队就解决了这样一个有关量子模拟的问题。

　　新成立的圣三一量子联盟（Trinity Quantum Alliance）主任约翰-戈尔德（John Goold）教授是这项研究的负责人，他在解释这项工作的意义和量子模拟的总体理念时说

　　"一般来说，模拟由许多相互作用的成分组成的复杂量子系统的动力学问题，对传统计算机来说是一项艰巨的挑战。考虑到这一特定设备上的27 个量子位。在量子力学中，这样一个系统的状态是由一个称为波函数的对象来进行数学描述的。要使用标准计算机来描述这个对象，就需要在内存中存储大量的系数，而这些系数的需求是随着量子比特数量的增加而呈指数级增长的；在这个模拟案例中，大约需要1.34 亿个系数。"

　　"当系统增长到300 个比特时，要描述这样一个系统，所需的系数将超过可观测宇宙中的原子数量，而任何经典计算机都无法精确捕捉系统的状态。换句话说，我们在模拟量子系统时会碰壁。使用量子系统模拟量子动力学的想法可以追溯到美国诺贝尔物理学奖得主理查德-费曼，他提出量子系统最好使用量子系统模拟。原因很简单--你自然会利用量子计算机是由波函数描述的这一事实，从而规避了存储状态所需的指数级经典资源。

　　那么，我们的研究小组究竟成功地模拟了什么呢？Goold 博士教授不慌不忙地继续深入浅出地介绍说：

　　"一些最简单的非三维量子系统是自旋链。这些系统由被称为自旋的小磁体连接而成，模仿更复杂的材料，用于理解磁性。我们对一种叫做海森堡链的模型很感兴趣，尤其对自旋激发如何在整个系统中传输的长时间行为感兴趣。在这种长时限制下，量子多体系统进入流体力学体系，传输由描述经典流体的方程来描述。"

　　"我们对一种特殊的机制很感兴趣，在这种机制中，由于基础物理学受卡尔达-帕里斯-张方程（Kardar-Parisi-Zhang equation）的支配，会出现一种叫做超扩散的现象。该方程通常描述表面或界面的随机增长，如暴风雪中雪的高度如何增长，咖啡杯在布上的污渍如何随时间增长，或绒毛火如何增长。这种传播被称为超扩散传输。这种传输会随着系统规模的增大而变得越来越快。令人惊奇的是，量子动力学中也出现了支配这些现象的方程，我们能够利用量子计算机来验证这一点。这是这项工作的主要成就。"

　　IBM-Trinity博士前期学者内森-基南（Nathan Keenan）是该项目的编程人员，他向我们讲述了量子计算机编程所面临的一些挑战。

　　他说："量子计算机编程的最大问题是在存在噪声的情况下进行有用的计算。在芯片级执行的运算并不完美，而且计算机对来自实验室环境的干扰非常敏感。因此，总是希望尽量缩短有用程序的运行时间，因为这将缩短这些错误和干扰发生并影响结果的时间。"

　　IBM 英国和爱尔兰研究院院长胡安-贝尔纳贝-莫雷诺（Juan Bernabé-Moreno）说：

　　"IBM在推动量子计算技术方面有着悠久的历史，不仅带来了数十年的研究成果，还提供了最大、最广泛的商业量子计划和生态系统。我们与都柏林圣三一学院通过量子科学与技术硕士和博士项目开展的合作就体现了这一点，我很高兴这项合作已经取得了可喜的成果。"并将继续推动这一进程。”他说。“我们希望能够在未来几年内，将我们的研究成果应用于更多的领域，包括医学、生物技术、环境保护等。

（编辑：辽源站长网）

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