混合量子模擬器能高精度模擬物理過程

瑞士保羅謝爾研究所的兩位理論物理學家聯合谷歌公司及來自5個國家的大學研究人員，共同開發并測試了一種新型數字—模擬混合量子模擬器。該模擬器不僅能夠以前所未有的精確度模擬物理過程，還具有高度靈活性，能力更強，適用于解決從固態物理到天體物理學的廣泛問題。這一成果被視為量子計算領域的重要里程碑，相關論文發表在最新一期《自然》雜志上。

冷牛奶滴入熱咖啡中是如何擴散的？這一問題即使是最快的超級計算機也難以高精度地模擬，因為其背后的量子物理過程異常復雜。1982年，諾貝爾獎得主理查德·費曼提出，使用傳統計算機來解決這類問題，不如用專門設計的用于模擬量子物理過程的量子模擬器更為有效。隨著量子計算機技術的迅速發展，費曼的設想正逐漸變為現實。

團隊借助谷歌提供的包含69個超導量子比特的芯片，實現了數字和模擬操作模式的有效結合。實驗中，他們通過設定離散的初始條件，模擬了熱能進入固體的過程，并展示了量子模擬器如何實現熱平衡狀態。這僅是新型量子模擬器所能解答的眾多有趣問題之一。這項新研究為開發通用量子模擬器奠定了基礎，其能力遠超當前只能處理特定物理問題的量子模擬器，應用范圍覆蓋物理學的多個不同領域。

混合量子模擬器的一個研究主題是磁學。例如，在谷歌量子芯片中，量子比特與其磁性方向調整的相關特性，對基于電子自旋而非電荷的新一代計算機芯片至關重要，有助于提高內存密度和計算速度。

此外，該量子模擬器在新材料開發中也有廣闊應用前景，如開發高溫超導體、更加精準且副作用更少的藥物；在天體物理學領域，可用于研究關于黑洞的信息悖論——量子物理學原理指出信息不會丟失，但天體物理學家認為黑洞會摧毀與其形成相關的信息。該量子模擬器有助厘清這些復雜的天文現象。