物理學(xué)家發(fā)明了一種新型的模擬量子計(jì)算機(jī)，可以解決最強(qiáng)大的數(shù)字超級(jí)計(jì)算機(jī)無法解決的難題。

美國斯坦福大學(xué)和愛爾蘭都柏林大學(xué)(UCD)的科學(xué)家合作發(fā)表在《自然物理學(xué)》上的一項(xiàng)新研究表明，一種新型的高度專業(yè)化的模擬計(jì)算機(jī)，其電路具有量子組件，可以解決量子物理學(xué)前沿的問題以前無法觸及。當(dāng)擴(kuò)大規(guī)模時(shí)，這些設(shè)備可能能夠揭示物理學(xué)中一些最重要的未解決的問題。

例如，科學(xué)家和工程師長期以來一直希望更好地了解超導(dǎo)性，因?yàn)楝F(xiàn)有的超導(dǎo)材料 - 例如用于MRI機(jī)器，高速列車和長距離節(jié)能電力網(wǎng)絡(luò)的材料 - 目前只能在極低的溫度下運(yùn)行，限制了它們的更廣泛使用。材料科學(xué)的圣杯是找到在室溫下超導(dǎo)的材料，這將徹底改變它們?cè)谝幌盗屑夹g(shù)中的使用。

安德魯·米切爾博士是ucd量子工程，科學(xué)和技術(shù)中心(C-QuEST)的主任，ucd物理學(xué)院的理論物理學(xué)家，也是該論文的合著者。

他說：“某些問題太復(fù)雜了，即使是最快的數(shù)字經(jīng)典計(jì)算機(jī)也無法解決。對(duì)高溫超導(dǎo)體等復(fù)雜量子材料的精確模擬是一個(gè)非常重要的例子——這種計(jì)算遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了當(dāng)前的能力，因?yàn)槟M真實(shí)模型的屬性需要指數(shù)級(jí)的計(jì)算時(shí)間和內(nèi)存要求。

“然而，推動(dòng)數(shù)字革命的技術(shù)和工程進(jìn)步帶來了前所未有的納米級(jí)物質(zhì)控制能力。這使我們能夠設(shè)計(jì)專門的模擬計(jì)算機(jī)，稱為“量子模擬器”，通過利用其納米級(jí)組件固有的量子力學(xué)特性來解決量子物理學(xué)中的特定模型。雖然我們還沒有能夠構(gòu)建出具有足夠能力來解決物理學(xué)中所有開放問題的通用可編程量子計(jì)算機(jī)，但我們現(xiàn)在能做的是構(gòu)建具有量子組件的定制模擬設(shè)備，可以解決特定的量子物理問題。

這些新量子器件的架構(gòu)涉及混合金屬半導(dǎo)體組件，由斯坦福大學(xué)，ucd和能源部SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室(位于斯坦福大學(xué))的研究人員設(shè)計(jì)。由David Goldhaber-Gordon教授領(lǐng)導(dǎo)的斯坦福大學(xué)實(shí)驗(yàn)納米科學(xué)小組建造并操作了該設(shè)備，而理論和建模則由ucd的Mitchell博士完成。

斯坦福大學(xué)材料與能源科學(xué)研究所(Stanford Institute for Materials and Energy Sciences)研究員戈德哈伯-戈登(Goldhaber-Gordon)教授說：“我們一直在制作數(shù)學(xué)模型，希望能夠捕捉到我們感興趣的現(xiàn)象的本質(zhì)，但即使我們相信它們是正確的，它們通常也無法在合理的時(shí)間內(nèi)解決。

有了量子模擬器，“我們有這些旋鈕可以轉(zhuǎn)動(dòng)，這是以前沒有人有過的，”Goldhaber-Gordon教授說。

為什么選擇模擬?

Goldhaber-Gordon說，這些模擬設(shè)備的基本思想是構(gòu)建一種硬件類比，用于你想要解決的問題，而不是為可編程數(shù)字計(jì)算機(jī)編寫一些計(jì)算機(jī)代碼。例如，假設(shè)您想預(yù)測行星在夜空中的運(yùn)動(dòng)和日食的時(shí)間。你可以通過構(gòu)建太陽系的機(jī)械模型來做到這一點(diǎn)，其中有人轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄，旋轉(zhuǎn)的互鎖齒輪代表月球和行星的運(yùn)動(dòng)。

事實(shí)上，這種機(jī)制是在2000多年前希臘島嶼海岸附近的一艘古老沉船中發(fā)現(xiàn)的。該設(shè)備可以看作是非常早期的模擬計(jì)算機(jī)。

不用嗤之以鼻，模擬機(jī)器甚至一直用于數(shù)學(xué)計(jì)算，這對(duì)于當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的數(shù)字計(jì)算機(jī)來說太難了。

但要解決量子物理問題，這些設(shè)備需要涉及量子組件。新的量子模擬器架構(gòu)涉及具有納米級(jí)組件的電子電路，其性質(zhì)受量子力學(xué)定律的支配。重要的是，可以制造許多這樣的組件，每個(gè)組件的行為與其他組件基本相同。

這對(duì)于量子材料的模擬仿真至關(guān)重要，其中電路中的每個(gè)電子元件都是被仿真原子的代理，其行為類似于“人造原子”。正如材料中相同類型的不同原子的行為相同一樣，模擬計(jì)算機(jī)的不同電子元件也必須相同。

因此，新設(shè)計(jì)為將技術(shù)從單個(gè)單元擴(kuò)展到能夠模擬體量子物質(zhì)的大型網(wǎng)絡(luò)提供了一條獨(dú)特的途徑。此外，研究人員表明，可以在此類設(shè)備中設(shè)計(jì)新的微觀量子相互作用。這項(xiàng)工作是朝著開發(fā)新一代可擴(kuò)展固態(tài)模擬量子計(jì)算機(jī)邁出的一步。

量子第一

為了使用新的量子模擬器平臺(tái)展示模擬量子計(jì)算的強(qiáng)大功能，研究人員首先研究了由兩個(gè)耦合在一起的量子組件組成的簡單電路。

該設(shè)備模擬了兩個(gè)原子通過特殊的量子相互作用耦合在一起的模型。通過調(diào)整電壓，研究人員能夠產(chǎn)生一種新的物質(zhì)狀態(tài)，其中電子似乎只有其通常電荷的1/3部分 - 所謂的“Z3副費(fèi)米子”。這些難以捉摸的狀態(tài)已被提出作為未來拓?fù)淞孔佑?jì)算的基礎(chǔ)，但以前從未在實(shí)驗(yàn)室中在電子設(shè)備中創(chuàng)建過。

“通過將量子模擬器從兩個(gè)納米級(jí)組件擴(kuò)展到許多納米級(jí)組件，我們希望我們可以模擬當(dāng)前計(jì)算機(jī)無法處理的更復(fù)雜的系統(tǒng)，”米切爾博士說。“這可能是最終解開我們量子宇宙中一些最令人困惑的奧秘的第一步。

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