导读
据奥地利因斯布鲁克大学官网近日报道，该校物理学家通过云端的量子协处理器，为模拟在化学、材料研究或者高能物理领域之前无法解决的问题，打开了大门。相关论文首次报告了，他们如何在20个量子位上模拟粒子物理现象，以及量子模拟器如何自我验证结果。
背景
即使对于世界上最强大的经典计算机来说，有些极度复杂的计算仍然需要花费漫长的时间。可是，从理论上说，量子计算机却可以完全胜任非常复杂的计算任务。原因是，不同于经典计算机的比特位，量子计算机拥有“量子位”。
IBM 四个超导量子位设备的布局图（图片来源：IBM研究院）
经典二进制计算机存储信息用的是：比特位（0和1）；量子计算机则是通过量子位表示量子信息。简单说，量子位可以是一个双态量子系统（例如：光子偏振态或电子自旋态等）。关键在于，量子位可同时处于“即是0又是1”的状态。
(图片来源：麻省理工学院)
经典计算机中的两个比特位，在某一时刻，仅能存储4个二进制数：00、01、10、11中的一个。然而，量子计算机中的两个量子位可同时存储这四个数，因为每一个量子位可以同时表示两个值。也就是说，如果我们要读出这四个数时，只需要读取一次；经典计算机则需要顺序执行4次。当量子位继续增加时，系统所存储信息量就会呈指数方式增加。
（图片来源：Tony Melov/UNSW）
创新
近日，奥地利因斯布鲁克大学的物理学家们通过云端的量子协处理器，为模拟在化学、材料研究或者高能物理领域之前无法解决的问题，打开了大门。赖纳·布拉特（Rainer Blatt）与彼得·佐勒（Peter Zoller）在《自然（Nature）》期刊上首次报告了，他们如何在20个量子位上模拟粒子物理现象，以及量子模拟器如何自我验证结果。
左起：里克·范·比尼南、克里斯蒂娜·迈尔、克里斯蒂安·考卡尔（图片来源: M.R.Knabl）
技术
目前，许多科学家都在研究如何在现有的硬件上利用量子优势。三年前，因斯布鲁克大学的物理学家们首次通过数字量子计算机模拟了一对基本粒子的自发性形成。可是由于错误率，较复杂的模拟需要大量的量子位，而如今的量子计算机尚不具备如此大量的量子位。量子计算机中量子系统的模拟仿真也深受局限。
现在，奥地利科学院量子光学与量子信息研究所（IQOQI）的克里斯蒂安·考卡尔（Christian Kokail）、克里斯蒂娜·迈尔（Christine Maier）、里克·范·比尼南（Rick van Bijnen）等研究人员超越了这些限制。他们采用了以20个量子位作为量子协处理器的可编程离子阱量子计算机。该量子计算机的量子力学计算能力可达到经典计算机的极限。
实验物理学家克里斯蒂娜·迈尔表示：“我们利用了两项技术的最佳特点。量子模拟器负责计算复杂量子问题，而经典计算机负责完成余下的任务。”
科学家们采用了理论物理学中的变分法，但是却将它应用到量子物理实验中。里克·范·比尼南解释道：“这种方法的优点在于，我们可以采用量子模拟器作为独立于所要研究的问题的量子资源。通过这种方式，我们可以模拟更加复杂的问题。”
一个简单的比较展现了差异：量子模拟仿真器就像玩具屋，它代表了现实。从另一方面来说，这种可编程的变分量子模拟器，提供了可用于构建许多不同玩具屋的构建模块。在量子模拟器中，这些构建模块是纠缠的门与单独的自旋旋转。通过经典计算机，只有当想要达到的量子状态达到时，这套旋钮才会被扭动。
VQS的经典量子-反馈循环（图片来源：参考资料【1】）
为此，物理学家们通过经典计算机开发出一个复杂的优化算法，根据大约10万个量子协处理器的请求得出结果。与量子实验极快的测量周期相配合，IQOQI 的模拟器变得非常强大。物理学家们首次在真空中20个量子位的基础上，模拟了基本粒子对的自发创造和毁灭。
因为新方法非常高效，所以它也可以应用于更大型的量子模拟器上。因斯布鲁克大学的研究人员将在不久未来构建了一个多达50个离子的量子模拟器。它为未来进一步研究固态模型与高能物理问题打开了有趣的视角。
之前，复杂的量子模拟中的一个未解决的问题，就是模拟结果的验证。理论物理学家克里斯蒂安·考卡尔问道：“这样的计算难以甚至根本不能采用经典计算机检查。所以，我们应该如何检测量子系统能否提供正确的结果？”考卡尔解释道：“我们首次通过在量子系统中进行额外的测量解决了这个问题。基于这些结果，量子机器评估了模拟的质量。”
因为必需的量子位数量迅速增加，所以这样的验证机制是更加复杂的量子模拟的前提。里克·范·比尼南表示：“我们仍然可以在经典计算机上测试20个量子位的模拟，但是这样无法再进行更加复杂的模拟。在我们的研究中，量子实验比在个人电脑上控制模拟更快。最终，为了不减缓实验，我们必须淘汰经典计算机。”
价值
这项研究的成果是基于因斯布鲁克量子研究中心的实验与理论之间独特的合作。在奥地利蒂罗尔州，来自多年实验量子研究的专门知识与创新的理论观念结合到一起，带来了全球公认的成果，并建立起因斯布鲁克量子研究的国际领导地位。
理论物理学家彼得·佐勒补充道：“这个实验是15年艰辛工作的结晶。我们很高兴看到现在硕果累累。在因斯布鲁克，我们不仅是可用量子位数量方面的领导者，而且已经进军到可编程量子模拟领域，并能够首次演示自我验证的量子处理器。通过这个新方案，我们让日常的量子问题得到模拟。”
关键字
量子计算机、云、量子位
参考资料
【1】C. Kokail, C. Maier, R. van Bijnen, T. Brydges, M. K. Joshi, P. Jurcevic, C. A. Muschik, P. Silvi, R. Blatt, C. F. Roos, P. Zoller. Self-verifying variational quantum simulation of lattice models. Nature, 2019; 569 (7756): 355 DOI: 10.1038/s41586-019-1177-4
【2】https://www.uibk.ac.at/newsroom/quantum-cloud-computing-with-self-check.html.en
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