量子十問之八：量子模擬到底是啥？

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

人工智慧（圖片來源於網路）

事實上並不是這樣，當這些超級計算機來研究微觀世界的量子力學問題的時候，原來強大的計算能力馬上就變得捉襟見肘。在由量子力學規律所支配下的微觀世界中，物理系統的所有信息都包含在系統的波函數里，如果我們能夠精確地知道系統在某個時刻的波函數，原則上，我們也就知道了這個系統在該時刻的所有性質。但是精確地描述波函數是一個浩大的工程。

以我們所知道的最簡單的量子系統——兩能級系統（通常是一個電子或者一個光子所描述的系統）為例，要描述這個系統的一個量子態，需要2個自由參數；描述由兩個這樣的粒子所構成的系統，則需要14個自由參數；如果描述N個兩能級系統所構成的複合系統的量子態，則需要4N-2個自由參數。如果N稍稍增加，這將是一個非常龐大的數字，於是，計算這樣一個由相互作用的粒子所構成的量子系統的波函數隨時間的演化，則變得異常困難，以至於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成的系統。

費曼（圖片來源於網路）

美國物理學家費曼最早認識到這方面的困難，並給出了解決的方案。通常，如果想知道一個物理系統的運行和演變，一種方式是：我們知道描述這個系統運動的基本方程，然後通過數學計算出系統每個時刻的變化；第二種方式就是做實驗，創造一個和我們已知物理系統相同條件的系統，讓它在相同的規律下演進、變化，我們通過對實驗結果的觀察來獲得我們想要的信息。

費曼猜想，既然世界的底層規律是符合量子力學的，如果我們沒有能力數值求解，我們可以創造一個人工的、符合量子規律的有效系統，使得這個有效系統所滿足的量子力學方程同我們的求解對象完全一致，於是，我們可以通過控制這個人工的量子力學系統，在這個人工系統上直接做實驗，讀出實驗結果即為我們所欲求得的解。費曼的這個想法，進一步演變為數字式的量子模擬（即：建造一台量子計算機，在量子計算機上，用量子比特來構建模擬對象，模擬系統的性質）和模擬式的量子模擬（即：直接在人工系統中構建所模擬的有效量子系統，它與數字式量子模擬的區別雷同於數字電路與模擬電路的區別）。

量子模擬實驗顯示時光旅行（圖片來源於網路）

人們通過研究發現，量子模擬除了擅長模擬量子多體系統隨時間的演化，還有可能模擬目前尚沒有辦法求解的強關聯多體系統，而這兩類問題是困擾多個學科分支（如：凝聚態物理、量子統計力學、高能物理、原子物理、量子化學等）的攔路虎。除此之外，通過量子模擬還有可能構建某些理論上預言、但是自然界尚未發現的新型的「虛擬」量子材料，來展現量子世界的神奇應用（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備所達不到的物理條件，演示已經被理論預言，但是從未在真實世界中觀測到的物理現象；或是創建用於求解某些特殊類型的數學難題的專用機器（超越目前超級計算機所能達到的最快求解速度），等等。

目前，潛在的能夠實施上述功能的量子模擬系統主要有：超冷原子氣體系統、離子阱系統、超導電路系統、光子系統等。

出品：科普中國

製作：中國科學技術大學 郭光燦 中國科普博覽

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