即使對于世界上最強(qiáng)大的經(jīng)典計算機(jī)來說，有些極度復(fù)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(jī)卻可以完全勝任非常復(fù)雜的計算任務(wù)。原因是，云服務(wù)器租用，不同于經(jīng)典計算機(jī)的比特位，量子計算機(jī)擁有“量子位”。
經(jīng)典二進(jìn)制計算機(jī)存儲信息用的是：比特位（0和1）；量子計算機(jī)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(guān)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(jī)中的兩個比特位，在某一時刻，僅能存儲4個二進(jìn)制數(shù)：00、01、10、11中的一個。然而，量子計算機(jī)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(jī)則需要順序執(zhí)行4次。當(dāng)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(xué)的物理學(xué)家們通過云端的量子協(xié)處理器，為模擬在化學(xué)、材料研究或者高能物理領(lǐng)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?nèi)绾卧?0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(jié)果。
技術(shù)
目前，服務(wù)器租用，許多科學(xué)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(xué)的物理學(xué)家們首次通過數(shù)字量子計算機(jī)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(fù)雜的模擬需要大量的量子位，而如今的量子計算機(jī)尚不具備如此大量的量子位。量子計算機(jī)中量子系統(tǒng)的模擬仿真也深受局限。
現(xiàn)在，奧地利科學(xué)院量子光學(xué)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(jī)。該量子計算機(jī)的量子力學(xué)計算能力可達(dá)到經(jīng)典計算機(jī)的極限。
實驗物理學(xué)家克里斯蒂娜·邁爾表示：“我們利用了兩項技術(shù)的最佳特點。量子模擬器負(fù)責(zé)計算復(fù)雜量子問題，而經(jīng)典計算機(jī)負(fù)責(zé)完成余下的任務(wù)。”
科學(xué)家們采用了理論物理學(xué)中的變分法，但是卻將它應(yīng)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(fù)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(gòu)建許多不同玩具屋的構(gòu)建模塊。在量子模擬器中，這些構(gòu)建模塊是糾纏的門與單獨的自旋旋轉(zhuǎn)。通過經(jīng)典計算機(jī)，只有當(dāng)想要達(dá)到的量子狀態(tài)達(dá)到時，這套旋鈕才會被扭動。
為此，物理學(xué)家們通過經(jīng)典計算機(jī)開發(fā)出一個復(fù)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(jié)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(qiáng)大。物理學(xué)家們首次在真空中20個量子位的基礎(chǔ)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(yīng)用于更大型的量子模擬器上。因斯布魯克大學(xué)的研究人員將在不久未來構(gòu)建了一個多達(dá)50個離子的量子模擬器。它為未來進(jìn)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(fù)雜的量子模擬中的一個未解決的問題，就是模擬結(jié)果的驗證。理論物理學(xué)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(jī)檢查。所以，我們應(yīng)該如何檢測量子系統(tǒng)能否提供正確的結(jié)果？”考卡爾解釋道：“我們首次通過在量子系統(tǒng)中進(jìn)行額外的測量解決了這個問題。基于這些結(jié)果，量子機(jī)器評估了模擬的質(zhì)量。”
因為必需的量子位數(shù)量迅速增加，所以這樣的驗證機(jī)制是更加復(fù)雜的量子模擬的前提。里克·范·比尼南表示：“我們?nèi)匀豢梢栽诮?jīng)典計算機(jī)上測試20個量子位的模擬，但是這樣無法再進(jìn)行更加復(fù)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(jī)。”
價值
