量子十問(wèn)之七：量子模擬到底是啥？

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)利用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)世界的能力越來(lái)越強(qiáng)大：現(xiàn)在飛機(jī)和汽車(chē)性能的測(cè)試、核試驗(yàn)，都可以在超級(jí)計(jì)算機(jī)的賽博空間中進(jìn)行；甚至，當(dāng)前熱門(mén)的人工智能研究，也可以看成是計(jì)算機(jī)對(duì)人類(lèi)行為的模擬。但是，用計(jì)算機(jī)模擬現(xiàn)實(shí)世界就總是這樣無(wú)往而不利嗎？

　　事實(shí)上并不是這樣，當(dāng)這些超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)研究微觀世界的量子力學(xué)問(wèn)題的時(shí)候，原來(lái)強(qiáng)大的計(jì)算能力馬上就變得捉襟見(jiàn)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(gè)時(shí)刻的波函數(shù)，原則上，我們也就知道了這個(gè)系統(tǒng)在該時(shí)刻的所有性質(zhì)。但是精確地描述波函數(shù)是一個(gè)浩大的工程。以我們所知道的最簡(jiǎn)單的量子系統(tǒng)——兩能級(jí)系統(tǒng)（通常是一個(gè)電子或者一個(gè)光子所描述的系統(tǒng)）為例，要描述這個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)量子態(tài)，需要2個(gè)自由參數(shù)；描述由兩個(gè)這樣的粒子所構(gòu)成的系統(tǒng)，則需要14個(gè)自由參數(shù)；如果描述N個(gè)兩能級(jí)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(gè)自由參數(shù)。如果N稍稍增加，這將是一個(gè)非常龐大的數(shù)字，于是，計(jì)算這樣一個(gè)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(shí)間的演化，則變得異常困難，以至于目前人類(lèi)最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)只能計(jì)算30多個(gè)兩能級(jí)粒子所構(gòu)成的系統(tǒng)。

　　美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)曼最早認(rèn)識(shí)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(gè)物理系統(tǒng)的運(yùn)行和演變，一種方式是：我們知道描述這個(gè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的基本方程，然后通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算出系統(tǒng)每個(gè)時(shí)刻的變化；第二種方式就是做實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)造一個(gè)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(jìn)、變化，我們通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀察來(lái)獲得我們想要的信息。費(fèi)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(méi)有能力數(shù)值求解，我們可以創(chuàng)造一個(gè)人工的、符合量子規(guī)律的有效系統(tǒng)，使得這個(gè)有效系統(tǒng)所滿(mǎn)足的量子力學(xué)方程同我們的求解對(duì)象完全一致，于是，我們可以通過(guò)控制這個(gè)人工的量子力學(xué)系統(tǒng)，在這個(gè)人工系統(tǒng)上直接做實(shí)驗(yàn)，讀出實(shí)驗(yàn)結(jié)果即為我們所欲求得的解。費(fèi)曼的這個(gè)想法，進(jìn)一步演變?yōu)閿?shù)字式的量子模擬（即：建造一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，在量子計(jì)算機(jī)上，用量子比特來(lái)構(gòu)建模擬對(duì)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(guò)研究發(fā)現(xiàn)，量子模擬除了擅長(zhǎng)模擬量子多體系統(tǒng)隨時(shí)間的演化，還有可能模擬目前尚沒(méi)有辦法求解的強(qiáng)關(guān)聯(lián)多體系統(tǒng)，而這兩類(lèi)問(wèn)題是困擾多個(gè)學(xué)科分支（如：凝聚態(tài)物理、量子統(tǒng)計(jì)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(guò)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(lái)展現(xiàn)量子世界的神奇應(yīng)用（如拓?fù)淞孔佑?jì)算）；或是在量子模擬器中模擬目前真實(shí)物理設(shè)備所達(dá)不到的物理?xiàng)l件，演示已經(jīng)被理論預(yù)言，但是從未在真實(shí)世界中觀測(cè)到的物理現(xiàn)象；或是創(chuàng)建用于求解某些特殊類(lèi)型的數(shù)學(xué)難題的專(zhuān)用機(jī)器（超越目前超級(jí)計(jì)算機(jī)所能達(dá)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(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

　　轉(zhuǎn)自：C114通信網(wǎng)

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