科技日报记者 张梦然
瑞士保罗谢尔研究所的两位理论物理学家联合谷歌公司及来自5个国家的大学研究人员，共同开发并测试了一种新型数字—模拟混合量子模拟器。该模拟器不仅能够以前所未有的精确度模拟物理过程，还具有高度灵活性，能力更强，适用于解决从固态物理到天体物理学的广泛问题。这一成果被视为量子计算领域的重要里程碑，相关论文发表在最新一期《自然》杂志上。
冷牛奶滴入热咖啡中是如何扩散的？这一问题即使是最快的超级计算机也难以高精度地模拟，因为其背后的量子物理过程异常复杂。1982年，诺贝尔奖得主理查德·费曼提出，使用传统计算机来解决这类问题，不如用专门设计的用于模拟量子物理过程的量子模拟器更为有效。随着量子计算机技术的迅速发展，费曼的设想正逐渐变为现实。
团队借助谷歌提供的包含69个超导量子比特的芯片，实现了数字和模拟操作模式的有效结合。实验中，他们通过设定离散的初始条件，模拟了热能进入固体的过程，并展示了量子模拟器如何实现热平衡状态。这仅是新型量子模拟器所能解答的众多有趣问题之一。这项新研究为开发通用量子模拟器奠定了基础，其能力远超当前只能处理特定物理问题的量子模拟器，应用范围覆盖物理学的多个不同领域。
混合量子模拟器的一个研究主题是磁学。例如，在谷歌量子芯片中，量子比特与其磁性方向调整的相关特性，对基于电子自旋而非电荷的新一代计算机芯片至关重要，有助于提高内存密度和计算速度。
此外，该量子模拟器在新材料开发中也有广阔应用前景，如开发高温超导体、更加精准且副作用更少的药物；在天体物理学领域，可用于研究关于黑洞的信息悖论——量子物理学原理指出信息不会丢失，但天体物理学家认为黑洞会摧毁与其形成相关的信息。该量子模拟器有助厘清这些复杂的天文现象。
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1982年，费曼指出，有一些问题的解决，用计算机不如用可以模拟量子物理过程的量子模拟器。几十年过去，这一设想已逐步得到验证。此次，科研人员构建了首个数字—模拟混合量子模拟器。该装置基于69个超导量子比特芯片，实现了对复杂量子过程的高精度模拟。它在基础物理、材料科学，甚至天体物理等领域都具有广阔应用前景。今天，混合量子模拟器架起了微观量子世界与宏观宇宙之间的模拟桥梁，或许同时也铺就了一条通往通用容错量子计算机之路。
