谷歌量子模拟器展现磁性未知领域

当诺贝尔奖得主Richard Feynman首次提出量子计算机的概念时，他提出量子计算机或许能进行那种复杂的量子模拟，从而为下一代电池或新型药物的研发提供思路。现在，谷歌的一种新量子模拟器发现，磁性并不总是按照科学家所认为的方式起作用，这表明它有望在未来挖掘出更多的发现成果。

这项新研究结合了两种量子计算——模拟量子计算和数字量子计算。在模拟量子计算中，量子比特（qubits）可以作为表现出量子行为的其他物体（如分子、原子和亚原子粒子）的类似物。模拟量子计算常被用于模拟分子间相互作用，这些相互作用过于复杂，以至于任何传统计算机在我们有生之年都无法建模。

相比之下，数字量子计算机在一组量子比特上运行一系列基本操作，这些操作被称为量子逻辑门。如果有足够多的量子比特，从理论上讲，量子计算机在许多应用上的性能将大大超过所有传统计算机。例如，在量子计算机上，Shor算法可以破解现代密码学，Grover算法可以以惊人的速度搜索数据库。

数字量子计算机能够进行量子模拟，但模拟量子计算机在这项任务上速度更快。例如，在模拟三个原子可能如何相互作用时，数字量子计算机必须一步一步地对原子间的每一种组合的相互作用进行建模，而模拟量子计算机则可以同时对所有组合进行建模。考虑到当前量子硬件容易出错的特性，速度就显得尤为重要——运算速度越快，成功完成的可能性就越大。

不过，在量子模拟方面，数字量子计算机比模拟量子计算机更具灵活性。模拟量子计算机旨在尽可能精确地模拟其模拟对象，而数字量子计算机在可模拟的内容上具有更强的可调节性。

谷歌的模拟 - 数字混合量子模拟

位于加利福尼亚州山景城的谷歌量子人工智能（Google Quantum AI）的资深研究科学家Trond Andersen表示，现在谷歌“正在推出一种新的模拟 - 数字混合量子模拟方法，试图兼取两者之长”。研究人员于2月5日在《自然》杂志在线详细阐述了他们的研究成果（https://www.nature.com/articles/s41586-024-08460-3）。

这个新系统拥有69个超导量子比特。它通过对量子比特应用逻辑门来准备模型的初始状态从而开始模拟，然后让模型以模拟方式快速演化。最后，它转换回数字操作模式，以便研究人员能够全面地测量结果。Andersen说：“我们实现了灵活性和速度的结合。”

先前的研究已经探索过模拟 - 数字混合量子模拟，但在模拟演化阶段往往会出现较大误差。新系统采用了一种高保真校准方案，极大地减少了这个问题，实现了每个量子比特0.1%的错误率。“这是使这项工作成为可能的突破之一，”Andersen说。

在基准测试实验中，科学家们估计，要达到新系统所实现的保真度水平的模拟，在田纳西州橡树岭国家实验室的Frontier超级计算机上需要100多万年的时间。“我们对这个新方向感到兴奋，它能带来我们在传统计算机上无法实现的发现和应用，”Andersen说。

此外，新的模拟器有一个意外发现。它发现广泛使用的Kibble - Zurek机制（例如，该机制可预测磁体在相变期间的行为）并非总是成立。

“这是一个巨大的惊喜——这是一个在世界各地量子实验室被广泛研究的机制，”Andersen说。他说，理解与Kibble-Zurek机制相关的动力学“对各类量子模拟很重要”。

Andersen指出，这个发现本可以用传统计算机得出。“我们现在开始将我们的方法用于传统计算机无法实现的应用，”他说。这项研究是使用谷歌的Sycamore量子处理器进行的，安德森表示公司“现在有了一种新的先进芯片——Willow（https://spectrum.ieee.org/quantum-error-correction-2670337688），我们很兴奋能在上面尝试我们的方法。”