科学家构建出普适数字化量子模拟

数字化量子模拟器是一种设想的量子装置，能通过编程有效模拟任何其他的局部系统。据美国物理学家组织网9月1日报道，奥地利因斯布鲁克大学和量子光学与量子信息研究所（IQOQI）科学家在一个陷落离子系统中，演示了量子模拟的数字化方法。他们对超冷钙原子的粒子状态进行了编码，并按照狄拉克方程用激光进行操控，结果得到了在自然界无法直接观察到的相对论粒子的“狄拉克颤动”。这种数字化的方法标志着人们在研究复杂现象的模型系统方面迈进了一大步。研究论文发表在9月1日的《科学》杂志网站上。物理现象通常都能用数学模型来描述，而有些现象非常复杂，让描述它们的方程几乎无解，量子系统正是如此。美国物理学家理查德·费曼曾提出用计算机来模拟量子系统的各种现象，但受传统计算机处理能力制约，要模拟较小的量子系统也很难。1996年，理论物理学家塞思·劳埃德证明，量子计算机可以通过编程有效模拟任何物理系统，前提是在技术和模拟器设计上实现完全控制。在过去研究的基础上，研究小组把描述量子现象的数学模型用一系列激光脉冲来编程，把经过激光制冷的陷落的原子作为量子比特载体来执行量子计算，用6个量子比特和连续的100个逻辑门，将一系列自旋系统的全时段动力过程用数字模拟出来，首次实现了量子现象的数字化模拟。 “我们在这些量子比特中，编制了所需要的系统初始状态，并对系统施加激光脉冲。”因斯布鲁克大学的克里斯顿·鲁斯解释说，模拟精确再现了自然界不可能观察到的相互作用，证明了数字量子模拟中的关键原理，并为全量程所需要的控制条件提供了证据。 “实验显示，我们的方法能真实再现许多系统，帮助科学家深入研究物理现象。如果要研究其他现象，只需改编一下模拟器的程序。”奥地利科学院量子光学与量子信息研究所的本杰明·兰尼恩说，这种数字量子模拟具有普适性，从理论上讲它能进行广泛的量子模拟，能有效模拟任何物理系统。最新研究表明，人们将能模拟量子相互作用和动力学过程，这种模拟需要更多的量子比特，要能控制并操纵多达40个原子才能实现。这正是未来量子计算机最有前景的应用领域之一。（来源：科技日报常丽君）