即使對于世界上最強大的經(jīng)典計算機來說，有些極度復雜的計算仍然需要花費漫長的時間。可是，從理論上說，量子計算機卻可以完全勝任非常復雜的計算任務。原因是，云服務器租用，不同于經(jīng)典計算機的比特位，量子計算機擁有“量子位”。

經(jīng)典二進制計算機存儲信息用的是：比特位（0和1）；量子計算機則是通過量子位表示量子信息。簡單說，量子位可以是一個雙態(tài)量子系統(tǒng)（例如：光子偏振態(tài)或電子自旋態(tài)等）。關鍵在于，量子位可同時處于“即是0又是1”的狀態(tài)。

經(jīng)典計算機中的兩個比特位，在某一時刻，僅能存儲4個二進制數(shù)：00、01、10、11中的一個。然而，量子計算機中的兩個量子位可同時存儲這四個數(shù)，因為每一個量子位可以同時表示兩個值。也就是說，如果我們要讀出這四個數(shù)時，只需要讀取一次；經(jīng)典計算機則需要順序執(zhí)行4次。當量子位繼續(xù)增加時，系統(tǒng)所存儲信息量就會呈指數(shù)方式增加。

創(chuàng)新

近日，奧地利因斯布魯克大學的物理學家們通過云端的量子協(xié)處理器，為模擬在化學、材料研究或者高能物理領域之前無法解決的問題，打開了大門。賴納·布拉特（Rainer Blatt）與彼得·佐勒（Peter Zoller）在《自然（Nature）》期刊上首次報告了，他們如何在20個量子位上模擬粒子物理現(xiàn)象，以及量子模擬器如何自我驗證結果。

技術

目前，服務器租用，許多科學家都在研究如何在現(xiàn)有的硬件上利用量子優(yōu)勢。三年前，因斯布魯克大學的物理學家們首次通過數(shù)字量子計算機模擬了一對基本粒子的自發(fā)性形成。可是由于錯誤率，較復雜的模擬需要大量的量子位，而如今的量子計算機尚不具備如此大量的量子位。量子計算機中量子系統(tǒng)的模擬仿真也深受局限。

現(xiàn)在，奧地利科學院量子光學與量子信息研究所（IQOQI）的克里斯蒂安·考卡爾（Christian Kokail）、克里斯蒂娜·邁爾（Christine Maier）、里克·范·比尼南（Rick van Bijnen）等研究人員超越了這些限制。他們采用了以20個量子位作為量子協(xié)處理器的可編程離子阱量子計算機。該量子計算機的量子力學計算能力可達到經(jīng)典計算機的極限。

實驗物理學家克里斯蒂娜·邁爾表示：“我們利用了兩項技術的最佳特點。量子模擬器負責計算復雜量子問題，而經(jīng)典計算機負責完成余下的任務。”

科學家們采用了理論物理學中的變分法，但是卻將它應用到量子物理實驗中。里克·范·比尼南解釋道：“這種方法的優(yōu)點在于，我們可以采用量子模擬器作為獨立于所要研究的問題的量子資源。通過這種方式，我們可以模擬更加復雜的問題。”

一個簡單的比較展現(xiàn)了差異：量子模擬仿真器就像玩具屋，它代表了現(xiàn)實。從另一方面來說，這種可編程的變分量子模擬器，提供了可用于構建許多不同玩具屋的構建模塊。在量子模擬器中，這些構建模塊是糾纏的門與單獨的自旋旋轉。通過經(jīng)典計算機，只有當想要達到的量子狀態(tài)達到時，這套旋鈕才會被扭動。

為此，物理學家們通過經(jīng)典計算機開發(fā)出一個復雜的優(yōu)化算法，根據(jù)大約10萬個量子協(xié)處理器的請求得出結果。與量子實驗極快的測量周期相配合，IQOQI 的模擬器變得非常強大。物理學家們首次在真空中20個量子位的基礎上，模擬了基本粒子對的自發(fā)創(chuàng)造和毀滅。

因為新方法非常高效，所以它也可以應用于更大型的量子模擬器上。因斯布魯克大學的研究人員將在不久未來構建了一個多達50個離子的量子模擬器。它為未來進一步研究固態(tài)模型與高能物理問題打開了有趣的視角。

之前，復雜的量子模擬中的一個未解決的問題，就是模擬結果的驗證。理論物理學家克里斯蒂安·考卡爾問道：“這樣的計算難以甚至根本不能采用經(jīng)典計算機檢查。所以，我們應該如何檢測量子系統(tǒng)能否提供正確的結果？”考卡爾解釋道：“我們首次通過在量子系統(tǒng)中進行額外的測量解決了這個問題。基于這些結果，量子機器評估了模擬的質量。”

因為必需的量子位數(shù)量迅速增加，所以這樣的驗證機制是更加復雜的量子模擬的前提。里克·范·比尼南表示：“我們仍然可以在經(jīng)典計算機上測試20個量子位的模擬，但是這樣無法再進行更加復雜的模擬。在我們的研究中，量子實驗比在個人電腦上控制模擬更快。最終，為了不減緩實驗，我們必須淘汰經(jīng)典計算機。”

價值