谷歌的量子模擬器揭示了磁性的新方面

Google Quantum AI

當(dāng)諾貝爾獎得主Richard Feynman首次提出量子計算機(jī)的概念時，他提出量子計算機(jī)或許能進(jìn)行那種復(fù)雜的量子模擬，從而為下一代電池或新型藥物的研發(fā)提供思路。現(xiàn)在，谷歌的一種新量子模擬器發(fā)現(xiàn)，磁性并不總是按照科學(xué)家所認(rèn)為的方式起作用，這表明它有望在未來挖掘出更多的發(fā)現(xiàn)成果。

這項新研究結(jié)合了兩種量子計算——模擬量子計算和數(shù)字量子計算。在模擬量子計算中，量子比特（qubits）可以作為表現(xiàn)出量子行為的其他物體（如分子、原子和亞原子粒子）的類似物。模擬量子計算常被用于模擬分子間相互作用，這些相互作用過于復(fù)雜，以至于任何傳統(tǒng)計算機(jī)在我們有生之年都無法建模。

相比之下，數(shù)字量子計算機(jī)在一組量子比特上運(yùn)行一系列基本操作，這些操作被稱為量子邏輯門。如果有足夠多的量子比特，從理論上講，量子計算機(jī)在許多應(yīng)用上的性能將大大超過所有傳統(tǒng)計算機(jī)。例如，在量子計算機(jī)上，Shor算法可以破解現(xiàn)代密碼學(xué)，Grover算法可以以驚人的速度搜索數(shù)據(jù)庫。

數(shù)字量子計算機(jī)能夠進(jìn)行量子模擬，但模擬量子計算機(jī)在這項任務(wù)上速度更快。例如，在模擬三個原子可能如何相互作用時，數(shù)字量子計算機(jī)必須一步一步地對原子間的每一種組合的相互作用進(jìn)行建模，而模擬量子計算機(jī)則可以同時對所有組合進(jìn)行建模。考慮到當(dāng)前量子硬件容易出錯的特性，速度就顯得尤為重要——運(yùn)算速度越快，成功完成的可能性就越大。

不過，在量子模擬方面，數(shù)字量子計算機(jī)比模擬量子計算機(jī)更具靈活性。模擬量子計算機(jī)旨在盡可能精確地模擬其模擬對象，而數(shù)字量子計算機(jī)在可模擬的內(nèi)容上具有更強(qiáng)的可調(diào)節(jié)性。

谷歌的模擬 - 數(shù)字混合量子模擬

位于加利福尼亞州山景城的谷歌量子人工智能（Google Quantum AI）的資深研究科學(xué)家Trond Andersen表示，現(xiàn)在谷歌“正在推出一種新的模擬 - 數(shù)字混合量子模擬方法，試圖兼取兩者之長”。研究人員于2月5日在《自然》雜志在線詳細(xì)闡述了他們的研究成果（https://www.nature.com/articles/s41586-024-08460-3）。

這個新系統(tǒng)擁有69個超導(dǎo)量子比特。它通過對量子比特應(yīng)用邏輯門來準(zhǔn)備模型的初始狀態(tài)從而開始模擬，然后讓模型以模擬方式快速演化。最后，它轉(zhuǎn)換回數(shù)字操作模式，以便研究人員能夠全面地測量結(jié)果。Andersen說：“我們實(shí)現(xiàn)了靈活性和速度的結(jié)合。”

先前的研究已經(jīng)探索過模擬 - 數(shù)字混合量子模擬，但在模擬演化階段往往會出現(xiàn)較大誤差。新系統(tǒng)采用了一種高保真校準(zhǔn)方案，極大地減少了這個問題，實(shí)現(xiàn)了每個量子比特0.1%的錯誤率。“這是使這項工作成為可能的突破之一，”Andersen說。

在基準(zhǔn)測試實(shí)驗中，科學(xué)家們估計，要達(dá)到新系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的保真度水平的模擬，在田納西州橡樹嶺國家實(shí)驗室的Frontier超級計算機(jī)上需要100多萬年的時間。“我們對這個新方向感到興奮，它能帶來我們在傳統(tǒng)計算機(jī)上無法實(shí)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，”Andersen說。

此外，新的模擬器有一個意外發(fā)現(xiàn)。它發(fā)現(xiàn)廣泛使用的Kibble - Zurek機(jī)制（例如，該機(jī)制可預(yù)測磁體在相變期間的行為）并非總是成立。

“這是一個巨大的驚喜——這是一個在世界各地量子實(shí)驗室被廣泛研究的機(jī)制，”Andersen說。他說，理解與Kibble-Zurek機(jī)制相關(guān)的動力學(xué)“對各類量子模擬很重要”。

Andersen指出，這個發(fā)現(xiàn)本可以用傳統(tǒng)計算機(jī)得出。“我們現(xiàn)在開始將我們的方法用于傳統(tǒng)計算機(jī)無法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用，”他說。這項研究是使用谷歌的Sycamore量子處理器進(jìn)行的，安德森表示公司“現(xiàn)在有了一種新的先進(jìn)芯片——Willow（https://spectrum.ieee.org/quantum-error-correction-2670337688），我們很興奮能在上面嘗試我們的方法。”