量子十問之七：量子模擬到底是啥？

　　隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，人類利用計算機來模擬現(xiàn)實世界的能力越來越強大：現(xiàn)在飛機和汽車性能的測試、核試驗，都可以在超級計算機的賽博空間中進行；甚至，當前熱門的人工智能研究，也可以看成是計算機對人類行為的模擬。但是，用計算機模擬現(xiàn)實世界就總是這樣無往而不利嗎？

　　事實上并不是這樣，當這些超級計算機來研究微觀世界的量子力學(xué)問題的時候，原來強大的計算能力馬上就變得捉襟見肘。在由量子力學(xué)規(guī)律所支配下的微觀世界中，物理系統(tǒng)的所有信息都包含在系統(tǒng)的波函數(shù)里，如果我們能夠精確地知道系統(tǒng)在某個時刻的波函數(shù)，原則上，我們也就知道了這個系統(tǒng)在該時刻的所有性質(zhì)。但是精確地描述波函數(shù)是一個浩大的工程。以我們所知道的最簡單的量子系統(tǒng)——兩能級系統(tǒng)（通常是一個電子或者一個光子所描述的系統(tǒng)）為例，要描述這個系統(tǒng)的一個量子態(tài)，需要2個自由參數(shù)；描述由兩個這樣的粒子所構(gòu)成的系統(tǒng)，則需要14個自由參數(shù)；如果描述N個兩能級系統(tǒng)所構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng)的量子態(tài)，則需要4N?2個自由參數(shù)。如果N稍稍增加，這將是一個非常龐大的數(shù)字，于是，計算這樣一個由相互作用的粒子所構(gòu)成的量子系統(tǒng)的波函數(shù)隨時間的演化，則變得異常困難，以至于目前人類最強大的計算機只能計算30多個兩能級粒子所構(gòu)成的系統(tǒng)。

　　美國物理學(xué)家費曼最早認識到這方面的困難，并給出了解決的方案。通常，如果想知道一個物理系統(tǒng)的運行和演變，一種方式是：我們知道描述這個系統(tǒng)運動的基本方程，然后通過數(shù)學(xué)計算出系統(tǒng)每個時刻的變化；第二種方式就是做實驗，創(chuàng)造一個和我們已知物理系統(tǒng)相同條件的系統(tǒng)，讓它在相同的規(guī)律下演進、變化，我們通過對實驗結(jié)果的觀察來獲得我們想要的信息。費曼猜想，既然世界的底層規(guī)律是符合量子力學(xué)的，如果我們沒有能力數(shù)值求解，我們可以創(chuàng)造一個人工的、符合量子規(guī)律的有效系統(tǒng)，使得這個有效系統(tǒng)所滿足的量子力學(xué)方程同我們的求解對象完全一致，于是，我們可以通過控制這個人工的量子力學(xué)系統(tǒng)，在這個人工系統(tǒng)上直接做實驗，讀出實驗結(jié)果即為我們所欲求得的解。費曼的這個想法，進一步演變?yōu)閿?shù)字式的量子模擬（即：建造一臺量子計算機，在量子計算機上，用量子比特來構(gòu)建模擬對象，模擬系統(tǒng)的性質(zhì)）和模擬式的量子模擬（即：直接在人工系統(tǒng)中構(gòu)建所模擬的有效量子系統(tǒng)，它與數(shù)字式量子模擬的區(qū)別雷同于數(shù)字電路與模擬電路的區(qū)別）。

　　人們通過研究發(fā)現(xiàn)，量子模擬除了擅長模擬量子多體系統(tǒng)隨時間的演化，還有可能模擬目前尚沒有辦法求解的強關(guān)聯(lián)多體系統(tǒng)，而這兩類問題是困擾多個學(xué)科分支（如：凝聚態(tài)物理、量子統(tǒng)計力學(xué)、高能物理、原子物理、量子化學(xué)等）的攔路虎。除此之外，通過量子模擬還有可能構(gòu)建某些理論上預(yù)言、但是自然界尚未發(fā)現(xiàn)的新型的“虛擬”量子材料，來展現(xiàn)量子世界的神奇應(yīng)用（如拓撲量子計算）；或是在量子模擬器中模擬目前真實物理設(shè)備所達不到的物理條件，演示已經(jīng)被理論預(yù)言，但是從未在真實世界中觀測到的物理現(xiàn)象；或是創(chuàng)建用于求解某些特殊類型的數(shù)學(xué)難題的專用機器（超越目前超級計算機所能達到的最快求解速度），等等。

　　目前，潛在的能夠?qū)嵤┥鲜龉δ艿牧孔幽M系統(tǒng)主要有：超冷原子氣體系統(tǒng)、離子阱系統(tǒng)、超導(dǎo)電路系統(tǒng)、光子系統(tǒng)等。（中國科學(xué)院量子信息重點實驗室）

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