新模拟量子计算机解决以前无法解决的问题

物理学家发明了一种新型模拟量子计算机，可以解决最强大的数字超级计算机无法解决的硬物理问题。

斯坦福大学和爱尔兰都柏林大学 (UCD) 的科学家合作发表在《自然物理学》上的新研究表明，一种新型高度专业化的模拟计算机，其电路具有量子组件，可以从前沿解决问题 以前遥不可及的量子物理学。当按比例放大时，此类设备可能能够揭示物理学中一些最重要的未解决问题。

例如，科学家和工程师长期以来一直希望更好地了解超导性，因为现有的超导材料——例如用于 MRI 机器、高速列车和长距离节能电力网络的材料——目前只能在极低的温度下运行，限制了它们的更广泛使用。材料科学的圣杯是找到在室温下具有超导性的材料，这将彻底改变它们在许多技术中的应用。

Andrew Mitchell 博士是UCD 量子工程、科学和技术中心 (C-QuEST)的主任，UCD 物理学院的理论物理学家，也是该论文的合著者。他说：“某些问题太复杂了，即使是最快的数字经典计算机也无法解决。高温超导体等复杂量子材料的精确模拟是一个非常重要的例子——由于模拟真实模型的特性所需的指数级计算时间和内存要求，这种计算远远超出了当前的能力。

“然而，推动数字革命的技术和工程进步带来了前所未有的纳米级物质控制能力。这使我们能够设计专门的模拟计算机，称为“量子模拟器”，通过利用其纳米级组件的固有量子力学特性来解决量子物理学中的特定模型。虽然我们尚未能够构建具有足够能力解决物理学中所有未解决问题的通用可编程量子计算机，但我们现在可以做的是构建具有可以解决特定量子物理问题的量子组件的定制模拟设备。 ”

这些新型量子设备的架构涉及将混合金属半导体组件并入纳米电子电路，由斯坦福大学、UCD 和能源部 SLAC 国家加速器实验室(位于斯坦福大学)的研究人员设计。由 David Goldhaber-Gordon 教授领导的斯坦福大学实验纳米科学小组建造并操作了该设备，而理论和建模则由 UCD 的米切尔博士完成。

戈德哈伯-戈登教授是斯坦福材料与能源科学研究所的研究员，他说：“我们一直在建立数学模型，我们希望这些模型能够捕捉到我们感兴趣的现象的本质，但即使我们相信它们是正确的，它们通常无法在合理的时间内解决。”

Goldhaber-Gordon 教授说，有了量子模拟器，“我们有了这些以前没有人能转动的旋钮。”

为什么模拟?

Goldhaber-Gordon 说，这些模拟设备的基本思想是为你想要解决的问题构建一种硬件类比，而不是为可编程数字计算机编写一些计算机代码。例如，假设您想预测夜空中行星的运动和日食的时间。你可以通过构建太阳系的机械模型来做到这一点，有人转动曲柄，旋转的联锁齿轮代表月球和行星的运动。事实上，这种机制是在距今 2000 多年前的希腊岛屿海岸附近的一艘古沉船中发现的。该设备可以看作是非常早期的模拟计算机。

不容小觑的是，类似的机器甚至在 20 世纪后期都被用于数学计算，而这对于当时最先进的数字计算机来说太难了。

但要解决量子物理问题，这些设备需要涉及量子组件。新的量子模拟器架构涉及具有纳米级组件的电子电路，其特性受量子力学定律的支配。重要的是，可以制造许多这样的组件，每个组件的行为与其他组件基本相同。这对于量子材料的模拟模拟至关重要，其中电路中的每个电子元件都是被模拟原子的代理，并且表现得像“人造原子”。正如材料中相同类型的不同原子表现相同一样，模拟计算机的不同电子元件也必须如此。

因此，新设计提供了一种独特的途径，可以将技术从单个单元扩展到能够模拟大量量子物质的大型网络。此外，研究人员表明，可以在此类设备中设计新的微观量子相互作用。这项工作是朝着开发新一代可扩展固态模拟量子计算机迈出的一步。

量子第一

为了使用他们的新量子模拟器平台展示模拟量子计算的能力，研究人员首先研究了一个简单的电路，该电路包含两个耦合在一起的量子组件。

该设备模拟了两个原子通过特殊的量子相互作用耦合在一起的模型。通过调整电压，研究人员能够产生一种新的物质状态，在这种状态下，电子似乎只有其通常电荷的 1/3——即所谓的“Z3 副费米子”。这些难以捉摸的状态已被提议作为未来拓扑量子计算的基础，但以前从未在电子设备的实验室中创建过。

“通过将量子模拟器从两个纳米级组件扩展到多个纳米级组件，我们希望能够模拟当前计算机无法处理的更复杂的系统，”米切尔博士说。“这可能是最终解开我们量子宇宙中一些最令人费解的谜团的第一步。”