對于量子物理學(xué)家來說，創(chuàng)造一臺足以解決我們目前計算機無法解決的問題的量子計算機仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。一個運行良好的量子模擬器——一種特定類型的量子計算機——可能會導(dǎo)致關(guān)于世界如何在最小尺度上運作的新發(fā)現(xiàn)。

代爾夫特理工大學(xué)的量子科學(xué)家娜塔莉亞·切皮加（Natalia Chepiga）開發(fā)了一種關(guān)于如何升級這些機器的指南，以便它們可以模擬更復(fù)雜的量子系統(tǒng)。該研究現(xiàn)已發(fā)表在《物理評論快報》上。

“制造有用的量子計算機和量子模擬器是當(dāng)今量子科學(xué)最重要、最有爭議的話題之一，具有徹底改變社會的潛力，”研究員納塔利婭·切皮加說。量子模擬器是一種量子計算機。切皮加解釋說：“量子模擬器旨在解決量子物理學(xué)的開放性問題，以進一步推動我們對自然的理解。量子計算機將在社會生活的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，例如金融、加密和數(shù)據(jù)存儲�！�

方向盤

切皮加說：“一個有用的量子模擬器的一個關(guān)鍵因素是控制或操縱它的可能性。想象一輛沒有方向盤的汽車。它只能前進，但不能轉(zhuǎn)彎。它有用嗎？只有當(dāng)你需要朝一個特定的方向走時，它才有用；否則，答案將是‘不！’。如果我們想創(chuàng)造一臺能夠在不久的將來發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象的量子計算機，我們需要建立一個‘方向盤’來調(diào)整到看起來有趣的東西。在我的論文中，我提出了一種協(xié)議，可以創(chuàng)建一個完全可控的量子模擬器�！�

該協(xié)議是一種配方——量子模擬器應(yīng)該具有可調(diào)性的一組成分。在量子模擬器的傳統(tǒng)設(shè)置中，銣（Rb）或銫（Cs）原子是單個激光的目標(biāo)。因此，這些粒子將吸收電子，從而變得更有活力；它們變得興奮。

Chepiga解釋道：“我證明，如果我們使用不同頻率或顏色的兩種激光，從而將這些原子激發(fā)到不同的狀態(tài)，我們可以將量子模擬器調(diào)諧到許多不同的設(shè)置”。

該協(xié)議提供了可以模擬的額外維度。“想象一下，你只看到一個立方體作為一張平紙上的草圖，但現(xiàn)在你得到一個可以觸摸、旋轉(zhuǎn)和以不同方式探索的真實3D立方體，”切皮加繼續(xù)說道�！皬睦碚撋现v，我們可以通過引入更多激光來添加更多維度。”

模擬許多粒子

Chepiga解釋道：“模擬具有許多粒子的量子系統(tǒng)的集體行為是非常具有挑戰(zhàn)性的。除了幾十個粒子，用我們常用的計算機或超級計算機建模必須依賴于近似值�！碑�(dāng)考慮到更多粒子、溫度和運動的相互作用時，計算機需要執(zhí)行太多的計算。

量子模擬器由量子粒子組成，這意味著這些組件是糾纏在一起的�！凹m纏是量子粒子之間共享的某種相互信息。它是模擬器的內(nèi)在屬性，因此可以克服這一計算瓶頸。”

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