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  • 量子计算有多强?量子模拟器就可以解这些超复杂难题

    量子计算有多强?量子模拟器就可以解这些超复杂难题

    一种功能强大的新计算形式可以帮助科学家设计纳米电子材料的新类型,让航空公司解决复杂的物流问题,以确保航班准时运行,并解决交通堵塞,让汽车在繁忙的道路上更自由地行驶。尽管现代数字计算机具有惊人的计算能力,但即使是最先进的超级计算机也面临着一些问题。但研究人员相信,利用量子力学的力量,新型计算机可以在几秒钟内解决这些问题。量子力学定律制约着玻色子、费米子和任意子等微观粒子的奇怪行为。

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    制造通用量子计算机已经被证明是异常困难的,目前只有少数昂贵的机器正在开发中。相反,一些科学家正在采取另一种方法,建立被称为模拟量子模拟器的计算系统,试图为量子计算机提供一些答案找到一条捷径。这些模拟器旨在通过模拟宇宙中最小粒子可能的行为,来探索量子物理的特定性质。这反过来又可以应用于解决更广泛世界中的复杂问题,这些问题目前是不可能解决的,或者使用经典计算机可能需要一辈子才能解决。

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    英国斯特拉斯克莱德大学(Strathclyde University)物理学家、帕斯昆斯项目成员安德鲁•戴利(Andrew Daley)教授说:我真正喜欢的类比是,模拟量子模拟器有点像风洞。几十年前,在电脑上模拟气流是不可能的,所以只能建立一个比例模型,然后把它放在风洞里。但在模拟量子模拟中,尺度变化是相反的——不是在做一个更小的版本,而是在做一个更大版本。这使得它更容易控制,因此更容易了解某些东西可能如何工作的细节。

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    (此处已添加圈子卡片,请到今日头条客户端查看)

    该项目召集了来自欧洲各地的一个研究团队,试图建立一些迄今为止最强大的模拟量子模拟器,使用原子和离子作为亚原子粒子的放大模型。例如,被冷却到绝对零度以上几度的超冷原子可以悬浮在激光形成的晶格中,以模拟电子在晶体中的运动。到目前为止,最先进的量子模拟器在模型中使用了大约100个超冷原子或至多20个离子,但该团队希望将他们的系统增加到1000多个原子和至多50个离子。

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    这可能会使这些模拟器的能力远远超过经典计算机所能达到的水平,其时间尺度要比建造一台普通量子计算机短得多。一个关键的挑战是使模拟器更加可控和可编程。参与该项目的研究人员正在开发控制原子的新技术,比如用激光“镊子”捕捉原子,使选定的原子处于高能量状态,或者使它们以不同的方式相互作用。可编程量子比特就是要让这些系统在单个晶格点、单个离子或单个原子的水平上,以一种经过良好校准的方式高度可控。

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    虽然这些模拟器可以帮助物理学家解决有关量子系统中粒子行为的棘手问题,但它们也可以用于解决更大的现实问题。例如,量子退火算法利用了量子物理的一个怪癖,即亚原子粒子、原子和更大的分子在改变能量状态时可以找到阻力最小的路径。这就好比试图把球滚上山去到达另一边更深的山谷——如果没有给球足够的推力,它就没有足够的能量到达山顶,只会简单地向后滚。相比之下,量子粒子可以通过简单的量子隧穿来绕过它们必须克服的能量峰值。

    优化

    这种更容易找到低能态的能力意味着量子退火可以用来找到优化复杂交通网络或复杂物流链的方法。可以从其他地方找到一个问题,并把它映射到原子或离子之间的相互作用上。然后我们可以开始提问,找出可能的最低能量配置。空客(Airbus)、道达尔(Total)、博世(Bosch)、法国电力(Electricite de France, EDF)和西门子(Siemens)等大型企业已表示有兴趣探索这种方式。这两家公司的研究人员正在与该项目合作,试图找到潜在的应用,可以应用到他们的商业运营中。

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    例如,在飞机上,它可以用来帮助确保飞机和机组人员处于正确的位置,以保证航班顺利运行。它还可以用来快速模拟在繁忙道路上改变交通路线的最佳方式,以避免拥堵和减少污染。现在研究人员已经建立了一个终端用户论坛,就可以在模拟量子模拟平台上实现的这类问题获得具体想法。这些大问题对工业界来说特别有趣,可以在量子系统上模拟它们,量子模拟器的力量不仅在于找到优化过程的方法。

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    研究人员表示,量子模拟器的首批应用之一将是帮助设计新材料,包括纳米电子和超导体。这也是Qombs项目所追求的,通过创建一个模拟量子模拟来设计新一代材料,可以产生高可调谐红外激光器。现代激光器的波长或颜色由发光二极管中的元素决定。但是,通过在不同浓度的金属(如铝、镓和砷)中分层生长晶体,该项目背后的研究人员希望创造出一种半导体材料,这种材料可以产生波长不同的激光,否则这是不可能实现的,这些装置被称为量子级联激光器

    激光

    位于意大利佛罗伦萨的国家光学研究所(National Institute of optical)研究员、Qombs团队成员卡佩里(Francesco Cappelli)博士说:我们正在利用量子模拟来优化和获得新的特性,这些特性将改善目前量子级联激光器的性能。通过模拟电子和光子在不同结构和金属浓度下的行为,研究小组希望能更好地控制这些设备产生光的波长。如果成功的话,它可能会带来一种设备,这种设备可以产生波长极长的光,这种光可以延伸到中远红外线,这是目前无法实现的。

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    这些波长可以用于通讯,因为大气中的气体不会吸收这些波长的光。与可见光相比,大气不仅是透明的,而且由于湿度和灰尘造成的散射也减少了。把激光调到特定波长也可以让它们用于传感器,探测特定的气体,如污染物或其他有害物质。例如,一种量子级联激光器可以发射出二氧化氮吸收的精确波长的光,可以用来精确测量城市地区的气体水平,设计具有这种性质的半导体晶体在传统电脑上是不可能的。

    量子计算的力量

    在传统计算机中,信息包含在二进制数字或位中,二进制数字或位的值为1或0。在量子系统中,亚原子粒子不仅可以以二进制1或0的状态存在,而且它们可以同时持有1和0的多种组合,从而形成一个“量子位”。由于量子位可以同时是1、0或1和0,这意味着可以同时进行更多的计算。更奇怪的是,成对的量子位元也会纠缠在一起,因此当一个量子位元的状态改变时,另一个量子位元也会随之改变,即使它们相隔很远,这种神秘的现象成倍地增加了量子计算机的数字运算能力。

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