一種功能強(qiáng)大的新計(jì)算形式可以幫助科學(xué)家設(shè)計(jì)納米電子材料的新類型，讓航空公司解決復(fù)雜的物流問(wèn)題，以確保航班準(zhǔn)時(shí)運(yùn)行，并解決交通堵塞，讓汽車在繁忙的道路上更自由地行駛。盡管現(xiàn)代數(shù)字計(jì)算機(jī)具有驚人的計(jì)算能力，但即使是最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)也面臨著一些問(wèn)題。

但研究人員相信，利用量子力學(xué)的力量，新型計(jì)算機(jī)可以在幾秒鐘內(nèi)解決這些問(wèn)題。量子力學(xué)定律制約著玻色子、費(fèi)米子和任意子等微觀粒子的奇怪行為。

制造通用量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)被證明是異常困難的，目前只有少數(shù)昂貴的機(jī)器正在開發(fā)中。相反，一些科學(xué)家正在采取另一種方法，建立被稱為模擬量子模擬器的計(jì)算系統(tǒng)，試圖為量子計(jì)算機(jī)提供一些答案找到一條捷徑。這些模擬器旨在通過(guò)模擬宇宙中最小粒子可能的行為，來(lái)探索量子物理的特定性質(zhì)。這反過(guò)來(lái)又可以應(yīng)用于解決更廣泛世界中的復(fù)雜問(wèn)題，這些問(wèn)題目前是不可能解決的，或者使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)可能需要一輩子才能解決。

英國(guó)斯特拉斯克萊德大學(xué)(Strathclyde University)物理學(xué)家、帕斯昆斯項(xiàng)目成員安德魯?戴利(Andrew Daley)教授說(shuō)：我真正喜歡的類比是，模擬量子模擬器有點(diǎn)像風(fēng)洞。幾十年前，在電腦上模擬氣流是不可能的，所以只能建立一個(gè)比例模型，然后把它放在風(fēng)洞里。但在模擬量子模擬中，尺度變化是相反的——不是在做一個(gè)更小的版本，而是在做一個(gè)更大版本。這使得它更容易控制，因此更容易了解某些東西可能如何工作的細(xì)節(jié)。

按比例放大

該項(xiàng)目召集了來(lái)自歐洲各地的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，試圖建立一些迄今為止最強(qiáng)大的模擬量子模擬器，使用原子和離子作為亞原子粒子的放大模型。例如，被冷卻到絕對(duì)零度以上幾度的超冷原子可以懸浮在激光形成的晶格中，以模擬電子在晶體中的運(yùn)動(dòng)。到目前為止，最先進(jìn)的量子模擬器在模型中使用了大約100個(gè)超冷原子或至多20個(gè)離子，但該團(tuán)隊(duì)希望將他們的系統(tǒng)增加到1000多個(gè)原子和至多50個(gè)離子。

這可能會(huì)使這些模擬器的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)所能達(dá)到的水平，其時(shí)間尺度要比建造一臺(tái)普通量子計(jì)算機(jī)短得多。一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是使模擬器更加可控和可編程。參與該項(xiàng)目的研究人員正在開發(fā)控制原子的新技術(shù)，比如用激光“鑷子”捕捉原子，使選定的原子處于高能量狀態(tài)，或者使它們以不同的方式相互作用。可編程量子比特就是要讓這些系統(tǒng)在單個(gè)晶格點(diǎn)、單個(gè)離子或單個(gè)原子的水平上，以一種經(jīng)過(guò)良好校準(zhǔn)的方式高度可控。

雖然這些模擬器可以幫助物理學(xué)家解決有關(guān)量子系統(tǒng)中粒子行為的棘手問(wèn)題，但它們也可以用于解決更大的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。例如，量子退火算法利用了量子物理的一個(gè)怪癖，即亞原子粒子、原子和更大的分子在改變能量狀態(tài)時(shí)可以找到阻力最小的路徑。這就好比試圖把球滾上山去到達(dá)另一邊更深的山谷——如果沒有給球足夠的推力，它就沒有足夠的能量到達(dá)山頂，只會(huì)簡(jiǎn)單地向后滾。相比之下，量子粒子可以通過(guò)簡(jiǎn)單的量子隧穿來(lái)繞過(guò)它們必須克服的能量峰值。

優(yōu)化

這種更容易找到低能態(tài)的能力意味著量子退火可以用來(lái)找到優(yōu)化復(fù)雜交通網(wǎng)絡(luò)或復(fù)雜物流鏈的方法。可以從其他地方找到一個(gè)問(wèn)題，并把它映射到原子或離子之間的相互作用上。然后我們可以開始提問(wèn)，找出可能的最低能量配置。空客(Airbus)、道達(dá)爾(Total)、博世(Bosch)、法國(guó)電力(Electricite de France, EDF)和西門子(Siemens)等大型企業(yè)已表示有興趣探索這種方式。這兩家公司的研究人員正在與該項(xiàng)目合作，試圖找到潛在的應(yīng)用，可以應(yīng)用到他們的商業(yè)運(yùn)營(yíng)中。

例如，在飛機(jī)上，它可以用來(lái)幫助確保飛機(jī)和機(jī)組人員處于正確的位置，以保證航班順利運(yùn)行。它還可以用來(lái)快速模擬在繁忙道路上改變交通路線的最佳方式，以避免擁堵和減少污染。現(xiàn)在研究人員已經(jīng)建立了一個(gè)終端用戶論壇，就可以在模擬量子模擬平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的這類問(wèn)題獲得具體想法。這些大問(wèn)題對(duì)工業(yè)界來(lái)說(shuō)特別有趣，可以在量子系統(tǒng)上模擬它們，量子模擬器的力量不僅在于找到優(yōu)化過(guò)程的方法。

研究人員表示，量子模擬器的首批應(yīng)用之一將是幫助設(shè)計(jì)新材料，包括納米電子和超導(dǎo)體。這也是Qombs項(xiàng)目所追求的，通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)模擬量子模擬來(lái)設(shè)計(jì)新一代材料，可以產(chǎn)生高可調(diào)諧紅外激光器。現(xiàn)代激光器的波長(zhǎng)或顏色由發(fā)光二極管中的元素決定。但是，通過(guò)在不同濃度的金屬(如鋁、鎵和砷)中分層生長(zhǎng)晶體，該項(xiàng)目背后的研究人員希望創(chuàng)造出一種半導(dǎo)體材料，這種材料可以產(chǎn)生波長(zhǎng)不同的激光，否則這是不可能實(shí)現(xiàn)的，這些裝置被稱為量子級(jí)聯(lián)激光器。

激光

位于意大利佛羅倫薩的國(guó)家光學(xué)研究所(National Institute of optical)研究員、Qombs團(tuán)隊(duì)成員卡佩里(Francesco Cappelli)博士說(shuō)：我們正在利用量子模擬來(lái)優(yōu)化和獲得新的特性，這些特性將改善目前量子級(jí)聯(lián)激光器的性能。通過(guò)模擬電子和光子在不同結(jié)構(gòu)和金屬濃度下的行為，研究小組希望能更好地控制這些設(shè)備產(chǎn)生光的波長(zhǎng)。如果成功的話，它可能會(huì)帶來(lái)一種設(shè)備，這種設(shè)備可以產(chǎn)生波長(zhǎng)極長(zhǎng)的光，這種光可以延伸到中遠(yuǎn)紅外線，這是目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

這些波長(zhǎng)可以用于通訊，因?yàn)榇髿庵械臍怏w不會(huì)吸收這些波長(zhǎng)的光。與可見光相比，大氣不僅是透明的，而且由于濕度和灰塵造成的散射也減少了。把激光調(diào)到特定波長(zhǎng)也可以讓它們用于傳感器，探測(cè)特定的氣體，如污染物或其他有害物質(zhì)。例如，一種量子級(jí)聯(lián)激光器可以發(fā)射出二氧化氮吸收的精確波長(zhǎng)的光，可以用來(lái)精確測(cè)量城市地區(qū)的氣體水平，設(shè)計(jì)具有這種性質(zhì)的半導(dǎo)體晶體在傳統(tǒng)電腦上是不可能的。

量子計(jì)算的力量

在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中，信息包含在二進(jìn)制數(shù)字或位中，二進(jìn)制數(shù)字或位的值為1或0。在量子系統(tǒng)中，亞原子粒子不僅可以以二進(jìn)制1或0的狀態(tài)存在，而且它們可以同時(shí)持有1和0的多種組合，從而形成一個(gè)“量子位”。由于量子位可以同時(shí)是1、0或1和0，這意味著可以同時(shí)進(jìn)行更多的計(jì)算。更奇怪的是，成對(duì)的量子位元也會(huì)糾纏在一起，因此當(dāng)一個(gè)量子位元的狀態(tài)改變時(shí)，另一個(gè)量子位元也會(huì)隨之改變，即使它們相隔很遠(yuǎn)，這種神秘的現(xiàn)象成倍地增加了量子計(jì)算機(jī)的數(shù)字運(yùn)算能力。

博科園｜研究/來(lái)自：Horizon

參考期刊《歐盟研究與創(chuàng)新期刊》

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