在處理一些復(fù)雜的任務(wù)時(shí)，量子計(jì)算機(jī)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更具優(yōu)勢(shì)，但在充分發(fā)揮其潛力前，還需要克服許多挑戰(zhàn)。物理學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家一直試圖如實(shí)評(píng)估量子計(jì)算技術(shù)在不久的將來所擁有的實(shí)力。

量子模擬，即使用可編程模擬設(shè)備實(shí)現(xiàn)的量子系統(tǒng)，已被證明對(duì)于判斷量子計(jì)算機(jī)的實(shí)用潛力特別有價(jià)值。可以使用量子模擬研究的一種方法是量子退火，這是一種基于工程量子漲落的優(yōu)化過程。

D-Wave以及加拿大、美國(guó)和日本的研究人員最近在可編程的2,000量子比特一維伊辛模型中模擬了量子相變。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表在《Nature Physics》，為未來的量子優(yōu)化和模擬工作提供了重要價(jià)值。

實(shí)驗(yàn)研究人員之一Andrew D. King說：“相干退火是我們長(zhǎng)期以來一直想要展示的東西。它使我們能將可編程量子系統(tǒng)的行為與理想的薛定諤動(dòng)力學(xué)進(jìn)行比較，提供了強(qiáng)有力的量子性證據(jù)與基準(zhǔn)。對(duì)于經(jīng)典方法通常無法解決的任務(wù)，一維鏈非常適合，因?yàn)樗哂斜娝苤拈]合式解決方案，這意味著我們可以用經(jīng)典方式解決，而無需詳細(xì)模擬量子動(dòng)力學(xué)?！?/p>

一維伊辛鏈的量子模擬之前已經(jīng)由哈佛大學(xué)及其他研究團(tuán)隊(duì)完成。然而，King和他的同事進(jìn)行的模擬是首次使用基于退火的量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行的。此外，研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)更大、更強(qiáng)烈的相關(guān)狀態(tài)。

King解釋說：“我們實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵變量是退火時(shí)間，這是D-Wave處理器從其初始量子疊加態(tài)到計(jì)算的經(jīng)典端點(diǎn)所需的時(shí)間。通常，系統(tǒng)會(huì)設(shè)置500納秒的速度限制，以允許控制電路上的容差。然而，在這項(xiàng)工作中，我們的速度比這快了100倍。”

由于他們的系統(tǒng)達(dá)到了更高的速度，King和他的同事們對(duì)硬件的要求會(huì)更加嚴(yán)格，并且要使用新的軟件方法。最終使他們能完美地同步系統(tǒng)中的數(shù)千個(gè)量子比特。

研究人員使用D-Wave系統(tǒng)創(chuàng)建的高度可編程處理器進(jìn)行了模擬。為了更可靠地測(cè)試其有效性，他們選擇模擬一個(gè)極其簡(jiǎn)單且易于理解的量子相變。

King說：“我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中和沒有環(huán)境影響的理想量子模型之間看到了高度一致性，這是量子退火領(lǐng)域的新發(fā)展。它不僅證明了該系統(tǒng)屬于量子水平，而且我們可以將更復(fù)雜的系統(tǒng)編程到量子退火器中，它將遵循薛定諤方程的真實(shí)量子動(dòng)力學(xué)，這通常不能被經(jīng)典模擬?！?/p>

總之，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)他們的模擬與量子理論的預(yù)測(cè)一致。在未來，他們的工作可以為研究不同的量子相變開辟新成果。在接下來的工作中，King和他的同事們希望使用可編程D-Wave處理器來模擬更多奇特的量子相變，這是使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法模擬的。

King 補(bǔ)充說：“大多數(shù)人希望將量子退火用于量子模擬，或者用于優(yōu)化。我們?cè)谶@項(xiàng)工作中研究的教科書式量子相變僅間接適用于優(yōu)化，因此將這兩個(gè)領(lǐng)域聯(lián)系在一起很重要。我們已經(jīng)知道量子退火器可以非?？焖俚亟鉀Q優(yōu)化問題。我們的下一項(xiàng)研究重點(diǎn)將是相干退火，以詳細(xì)解釋量子臨界動(dòng)力學(xué)在量子退火優(yōu)化中的作用?！?/p>

文章參考鏈接：

https://phys.org/news/2022-10-coherent-simulation-quantum-phase-transition.html

編譯：卉可

編輯：慕一