物理學家已經創造了一種新型的模擬量子計算機，能夠解決最強大的數字超級計算機無法解決的挑戰性物理問題。來自美國斯坦福大學和愛爾蘭都柏林大學學院（UCD）的科學家團隊在《自然-物理學》雜誌上發表的一項突破性研究顯示，一種新型的高度專業化的模擬計算機，在其電路中配備了量子組件，能夠解決量子物理學中的複雜問題，這些問題以前是無法解決的。

如果這些設備能夠擴大規模，它們有可能為物理學中一些最重要的未解決的問題提供見解。

例如，科學家和工程師長期以來一直在尋求對超導性的深入理解。目前，超導材料，如用於核磁共振儀、高速列車和節能長距離電力網絡的材料，只在極低的溫度下發揮作用，阻礙了其更廣泛的應用。材料科學的最終目標是發現在室溫下表現出超導性的材料，這將徹底改變它們在眾多技術中的應用。

新的量子模擬器的顯微照片，其特點是在一個電子電路中嵌入兩個耦合的納米大小的金屬半導體元件。

安德魯-米切爾博士是UCD量子工程、科學和技術中心（C-QuEST）的主任，UCD物理學院的理論物理學家，也是該論文的共同作者。他說。”某些問題實在是太複雜了，即使是最快的數字經典計算機也無法解決。高溫超導體等複雜量子材料的精確模擬就是一個非常重要的例子–這種計算遠遠超出了目前的能力，因為模擬現實模型的特性需要指數級的計算時間和內存。”

安德魯-米切爾博士是都柏林大學學院的理論物理學家，擁有愛爾蘭研究委員會的桂冠獎，是UCD量子工程、科學和技術中心（C-QuEST）的主任。資料來源：UCD媒體：文森特-霍本的照片

“然而，推動數字革命的技術和工程進展帶來了在納米尺度上控制物質的前所未有的能力。這使我們能夠設計專門的模擬計算機，稱為’量子模擬器’，通過利用其納米級組件的固有量子力學特性來解決量子物理學中的特定模型。雖然我們還不能建立一個具有足夠功率的多用途可編程量子計算機來解決物理學中的所有開放問題，但我們現在能做的是建立具有量子組件的定制模擬設備，可以解決特定的量子物理問題。”

這些新的量子設備的架構涉及到納入納米電子電路的混合金屬半導體元件，是由斯坦福大學、UCD和能源部的SLAC國家加速器實驗室（位於斯坦福大學）的研究人員設計的。由David Goldhaber-Gordon教授領導的斯坦福大學實驗納米科學小組建造並操作了該裝置，而理論和建模工作則由UCD的Mitchell博士完成。

Goldhaber-Gordon教授是斯坦福材料和能源科學研究所的研究員，他說。”我們總是在做數學模型，希望能抓住我們感興趣的現象的本質，但即使我們相信它們是正確的，它們往往也無法在合理的時間內解決。”

有了量子模擬器，”我們有了這些可以轉動的旋鈕，這在以前是沒有的，”戈德哈伯-戈登教授說。

為什麼是模擬？

Goldhaber-Gordon說，這些模擬設備的基本理念是為你想要解決的問題建立一種硬件類比，而不是為一個可編程的數字計算機編寫一些計算機代碼。例如，假設你想預測夜空中行星的運動和日食的時間。你可以通過構建一個太陽系的機械模型來做到這一點，有人轉動曲柄，旋轉的互鎖齒輪代表月亮和行星的運動。事實上，這樣的機制是在希臘一個島嶼海岸邊的古代沉船中發現的，可以追溯到2000多年前。這個裝置可以被看作是非常早期的模擬計算機。

不容忽視的是，模擬機甚至在20世紀末還被用來進行數學計算，這些計算對於當時最先進的數字計算機來說太難了。

但要解決量子物理問題，設備需要涉及量子組件。新的量子模擬器架構涉及帶有納米級元件的電子電路，這些元件的特性受量子力學定律的製約。重要的是，許多這樣的組件可以被製造出來，每一個組件的行為都與其他組件基本相同。這對於模擬仿真量子材料至關重要，電路中的每個電子元件都是被模擬的原子的代理，其行為就像一個”人造原子”。正如材料中同一類型的不同原子的行為是相同的一樣，模擬計算機的不同電子元件也必須如此。

因此，新的設計提供了一個獨特的途徑，可以將該技術從單個單元擴展到能夠模擬大量量子物質的大型網絡。此外，研究人員表明，新的微觀量子相互作用可以在這種設備中被設計出來。這項工作是朝著開發新一代可擴展的固態模擬量子計算機邁出的一步。

為了證明使用他們新的量子模擬器平台進行模擬量子計算的能力，研究人員首先研究了一個由兩個量子元件耦合在一起的簡單電路。

該裝置模擬了一個由奇特的量子相互作用耦合在一起的兩個原子的模型。通過調整電壓，研究人員能夠產生一種新的物質狀態，其中電子似乎只具有其通常電荷的1/3–所謂的”Z3準分子”。這些難以捉摸的狀態已被提議作為未來拓撲量子計算的基礎，但之前從未在實驗室的電子設備中創造過。

米切爾博士說：”通過將量子模擬器從兩個組件擴展到許多納米大小的組件，我們希望我們能夠對當前計算機無法處理的更複雜的系統進行建模。這可能是最終解開我們量子宇宙中一些最令人困惑的謎團的第一步。”