評估量子模擬器的新方法

圖像顯示了一串開始相互交互的囚禁離子。由於這些相互作用，複雜的多粒子量子態（psi）出現。可以通過對相鄰離子組進行測量來重建這一狀態。

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網路空間中進行。甚至連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。當用這些超級計算機來研究微觀世界的量子力學問題時，就不得不談到量子模擬器。

物理學家開發量子模擬器是為了解決傳統計算機無法解決的問題。目前，已經在許多實驗平台上實現了量子模擬器，包括超冷量子氣體系統，囚禁離子系統，光子系統和超導電路系統。對物理學家來說，他們首先需要新的工具來確保模擬器能夠正常工作。Rainer Blatt和Christian Roos及其他研究人員已經開發了一種新技術，可有效地描述量子模擬器的複雜狀態。

量子世界中的許多現象不能在實驗室中直接進行研究，甚至超級計算機在嘗試模擬時都會失敗。但是，科學家現在能夠非常精確地控制實驗室中的各種量子系統，這些系統可以用於模擬其他量子系統。因此，這樣的量子模擬器被認為是第二次量子革命的第一個具體應用之一。

然而，要發展大規模量子模擬器，就必須要更好地描述大規模量子態。目前來說，想要實現這一點是非常困難的。當下實驗室里量子態描述的黃金法則是量子態斷層掃描(quantum-state tomography)。但這僅僅適用於由少量量子粒子組成的小規模的量子系統。因斯布魯克大學實驗物理研究所和奧地利科學院量子光學和量子信息研究所的研究人員在實驗室中開發出了一種有效描述大規模量子態的新方法。

協作努力

在離子阱中，帶電原子(離子)被冷卻至接近絕對零度，並藉助激光器進行操作。這樣的系統在執行量子模擬任務時是非常有希望的，也是超越現代計算機計算能力最有前景的一種路徑。因斯布魯克量子物理學家是這一領域的世界領先者，目前他們可能在離子阱中糾纏了20個甚至以上的離子。為了更加充分地描述這種大規模量子系統，他們需要新的方法。為此，來自德國烏爾姆大學的Martin Plenio和他身邊的理論家來到這裡幫助他們。2010年，Plenio團隊提出了一種用於表示複雜量子態的新方法——矩陣產品狀態斷層掃描(matrix-product-state tomography)。通過這種方法，可以精確地估計一組糾纏的量子粒子的狀態，而不會隨著粒子數量的增加而需要顯著地增加工作量。通過和烏爾姆大學Martin Plenio團隊以及蘇格蘭斯特拉斯克萊德大學Andrew Daley團隊的合作，因斯布魯克實驗物理學家們已經在實驗室中實施了這一方案。

更高效的測量

為了進行案例測試，物理學家建立了一個量子模擬器，最多可以包含14個量子比特（原子）。這個量子模擬器首先在沒有量子相關性的簡單初始狀態下準備就緒。接下來，研究人員用激光糾纏原子，並觀察到系統中糾纏的動態傳播。「通過這種新方法，我們可以通過僅測量系統屬性的一小部分就能確定整個系統的量子態，」START獎得主Ben Lanyon說。Martin Plenio團隊的理論物理學家從測量數據中對全球量子態進行了描述：「該方法是基於一個事實——理論上我們可以很好地描述本地分散式糾纏的，現在也可以在實驗室中進行測量。」

2005年，當Rainer Blatt的工作組實現了第一個量子位元組，需要超過6,000次的測量來描述量子態，耗時超過10小時。現在的新方法只需要27次測量，大約10分鐘的時間，就能表示出相同大小的系統。因斯布魯克團隊成員Christine Maier說：「我們能夠證明這種方法可以有效地表示大規模和複雜的量子態。」現在，科學家們希望進一步研究演算法，以便其他研究團隊也可以靈活使用。

新的黃金標準

新方法允許對包含大量相干量子粒子的系統進行完整的描述，從而為比較不同量子模擬器提供了可能。Christian Roos解釋說：「通過比較我們在實驗室中發現的狀態與分析計算所預期的狀態，我們可以評估量子模擬器。這樣我們就能判斷量子模擬器是否實現了我們想要的結果。」新的方法為物理學家提供了許多應用工具，並且很有可能成為評估量子模擬的新標準。

這項研究工作還得到了奧地利科學基金會和歐盟的研發資金支持。

本文由量子計算最前沿基於相關資料原創編譯，轉載請聯繫本公眾號獲得授權。

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