量子力学定律描述了原子和分子如何与我们周围的世界有很大不同。科学家们在梳理这些规则方面取得了进展，这些规则对于寻找制造新分子和更好技术的方法至关重要，但有些规则过于复杂，无法通过实验验证。随着开放存取量子计算机的出现，芝加哥大学的科学家们看到了并一个做一个非常不寻常的实验来测试这些量子原理的机会。其研究发表在2019年1月31日的《自然通讯物理学》(Nature Communications Physics)上，本质上是劫持了一台量子计算机，以发现关于分子中电子的量子行为的基本真理。
博科园-科学科普：量子计算是一个探索基本问题令人兴奋的领域，它使我们能够观察到经典计算机绝对无法接触到的量子理论各个方面。量子力学一个特殊规则，称为泡利不相容原理，是两个电子在空间中不能同时占据相同的位置。在许多情况下，分子的电子在其位置上受到额外限制，这些被称为广义泡利约束。这些规则告诉我们所有的分子和物质是如何形成。在这项研究中，马齐奥蒂、大卫·舒斯特教授和研究生斯科特·斯玛特创建了一套算法，要求IBM的Q Experience计算机在三个电子系统中随机生成量子态，然后测量电子最有可能的位置。
研究人员利用IBM的量子经验，一种开放的量子计算机，来测试量子力学的基本原理。图片：IBM
论文的第一作者斯马特说：假设广义泡利约束不成立，在这种情况下，大约一半的量子态会表现出违反，相反，在形成的许多量子态中，发现广义泡利约束的违反很少发生在与量子电路中的噪声一致的模式中。科学家们表示：这些结果提供了强有力的实验验证。最简单的广义泡利约束理论是在20世纪70年代早期在IBM一台经典计算机上发现，因此首次在IBM量子计算机上进行实验验证是合适的。
这一发现是该大学量子研究前沿的又一突破，最近的努力包括一个由三个实验室组成的量子“传送器”，朝着更强大的量子传感器迈进的步骤，以及为新兴量子计算机开发算法的合作。一个开放的问题是广义泡利约束如何对改进量子技术有用，它们可能有助于实现更有效的量子计算以及更好的误差修正方案——这对量子计算机发挥其全部潜力至关重要。
博科园-科学科普｜研究/来自: 芝加哥大学
Louise Lerner, University of Chicago
参考期刊文献:《Nature Communications》
DOI: 10.1038/s42005-019-0110-3
