即使在日常生活的尺度上，自然也受到量子物理定律的支配。這些定律解釋了一些常見的現(xiàn)象，如光、聲、熱，甚至臺球上球的運動軌跡。但是，當(dāng)應(yīng)用于大量相互作用的粒子時，量子物理定律實際上預(yù)測了許多違背直覺的現(xiàn)象。

為了研究由許多粒子組成的量子系統(tǒng)，物理學(xué)家必須首先能夠模擬它們，這可以通過求解描述超級計算機內(nèi)部工作原理的方程來實現(xiàn)。

盡管摩爾定律預(yù)測計算機的處理能力每隔幾年就會翻一番，但這與解決量子物理挑戰(zhàn)所需的能力相去甚遠(yuǎn)。據(jù)EPFL納米系統(tǒng)理論物理實驗室主任文森佐·薩沃納教授說：原因是預(yù)測量子系統(tǒng)的性質(zhì)極其復(fù)雜，需要隨著量子系統(tǒng)大小呈指數(shù)增長的計算能力，這是一項“本質(zhì)上復(fù)雜”的任務(wù)。當(dāng)量子系統(tǒng)開放時，事情變得更加復(fù)雜，這意味著它會受到周圍環(huán)境的干擾。

然而，有效地模擬開放量子系統(tǒng)的工具非常必要，因為大多數(shù)現(xiàn)代量子科學(xué)和技術(shù)的實驗平臺都是開放系統(tǒng)，物理學(xué)家一直在尋找新的方法來模擬和測試它們。但由于一種用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬量子系統(tǒng)的新計算方法，已經(jīng)取得了重大進展。該方法由薩沃納和epfl的博士生亞歷山德拉·納吉開發(fā)，并由巴黎狄德羅大學(xué)、愛丁堡赫瑞瓦特大學(xué)和紐約熨斗研究所的科學(xué)家獨立開發(fā)。這項研究的全部成果發(fā)表在《物理評論快報》的三篇研究論文上。

研究基本上把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和機器學(xué)習(xí)的進步與量子蒙特卡羅工具結(jié)合起來，科學(xué)家們訓(xùn)練了一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來同時表示量子系統(tǒng)的許多量子態(tài)，在這些量子態(tài)中，一個量子系統(tǒng)可以由其環(huán)境的影響來投射。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法使物理學(xué)家能夠預(yù)測具有相當(dāng)大小和任意幾何形狀的量子系統(tǒng)性質(zhì)。這是一種新的計算方法，它解決了開放量子系統(tǒng)的問題，該系統(tǒng)具有通用性，并且有很大的擴展?jié)摿?。該方法將成為研究?fù)雜量子系統(tǒng)的首選工具，并在展望未來的同時，評估噪聲對量子硬件的影響。

模擬具有大量自由度的多體開放量子系統(tǒng)性質(zhì)是解決量子科學(xué)和量子信息中幾個突出問題的前提。該研究任務(wù)的挑戰(zhàn)在于密度矩陣復(fù)雜度隨系統(tǒng)規(guī)模呈指數(shù)級增長。本研究基于變分蒙特卡羅方法和密度矩陣神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表示的變分方法來有效地模擬馬氏開放量子系統(tǒng)的非平衡穩(wěn)態(tài)。由于隨機重構(gòu)方案，變分原理的應(yīng)用轉(zhuǎn)化為量子主方程的實際積分，通過建立二維耗散模型，驗證了該方法的有效性。

博科園｜研究/來自：聯(lián)邦洛桑理工學(xué)院

參考期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.250501

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