聖三一大學的量子物理學家與都柏林IBM 公司合作，成功地在量子電腦上模擬了一個相互作用量子粒子系統中的超級擴散。這是在量子硬體上進行高難度量子傳輸計算的第一步，隨著硬體的不斷改進，這項工作有望為凝聚態物理和材料科學帶來新的啟示。

這項工作是TCD-IBM 博士前獎學金計畫的首批成果之一，該計畫是最近設立的，IBM 在三一學院聯合指導博士生的同時，也聘用博士生作為員工。該論文最近發表在著名的《自然》雜誌《NPJ 量子資訊》上。

IBM 是令人興奮的量子運算領域的全球領導者。這項研究中使用的早期量子電腦由27個超導量子位元組成（量子位元是量子邏輯的構件），物理上位於IBM位於紐約約克城高地的實驗室內，並在都柏林進行遠端程式設計。

量子運算是目前最令人興奮的技術之一，預計在未來十年內將逐漸接近商業應用。除了商業應用，量子電腦還能幫助解決一些令人著迷的基本問題。都柏林聖三一大學和IBM 的團隊就解決了這樣一個有關量子模擬的問題。

新成立的聖三一量子聯盟（Trinity Quantum Alliance）主任約翰-戈爾德（John Goold）教授是這項研究的負責人，他在解釋這項工作的意義和量子模擬的總體理念時說

“一般來說，模擬由許多相互作用的成分組成的複雜量子系統的動力學問題，對傳統計算機來說是一項艱鉅的挑戰。考慮到這一特定設備上的27 個量子位。在量子力學中，這樣一個系統的狀態是由一個稱為波函數的對象來進行數學描述的。要使用標準計算機來描述這個對象，就需要在內存中存儲大量的係數，而這些係數的需求是隨著量子位元數量的增加而呈指數級增長的；在這個模擬案例中，大約需要1.34 億個係數。”

“當系統成長到300 個位元時，要描述這樣一個系統，所需的係數將超過可觀測宇宙中的原子數量，而任何經典電腦都無法精確捕捉系統的狀態。換句話說，我們在模擬量子系統時會碰壁。使用量子系統模擬量子動力學的想法可以追溯到美國諾貝爾物理學獎得主理查德-費曼，他提出量子系統最好使用量子系統模擬。原因很簡單–你自然會利用量子電腦是由波函數描述的事實，從而規避了儲存狀態所需的指數級經典資源”。

那麼，研究小組究竟模擬了什麼呢？Goold 教授繼續介紹：

“一些最簡單的非三維量子系統是自旋鏈。這些系統由被稱為自旋的小磁鐵連接而成，模仿更複雜的材料，用於理解磁性。我們對一種叫做海森堡鏈的模型很感興趣，尤其對自旋激發如何在整個系統中傳輸的長時間行為感興趣。在這種長時限制下，量子多體系統進入流體力學體系，傳輸由描述經典流體的方程式來描述。 “

「我們對一種特殊的機制很感興趣，在這種機制中，由於基礎物理學受卡爾達-帕里斯-張方程（Kardar-Parisi-Zhang equation）的支配，會出現一種叫做超擴散的現象。此方程式通常描述表面或界面的隨機增長，如暴風雪中雪的高度如何增長，咖啡杯在布上的污漬如何隨時間增長，或絨毛火如何增長。這種傳播被稱為超擴散傳輸。這種傳輸會隨著系統規模的增加而變得越來越快。令人驚訝的是，量子動力學中也出現了支配這些現象的方程，我們能夠利用量子電腦來驗證這一點。這是這項工作的主要成就。”

IBM-Trinity博士前期學者內森-基南（Nathan Keenan）是該計畫的程式設計人員，他向我們講述了量子電腦程式設計所面臨的一些挑戰。

他說：「量子電腦程式設計的最大問題是在存在噪音的情況下進行有用的計算。在晶片級執行的運算並不完美，而且電腦對來自實驗室環境的干擾非常敏感。因此，總是希望盡量縮短有用程式的運行時間，因為這將縮短這些錯誤和乾擾發生並影響結果的時間。”

IBM 英國和愛爾蘭研究院院長胡安-貝爾納貝-莫雷諾（Juan Bernabé-Moreno）說：

“IBM在推動量子計算技術方面有著悠久的歷史，不僅帶來了數十年的研究成果，還提供了最大、最廣泛的商業量子計劃和生態系統。我們與都柏林聖三一學院透過量子科學與技術碩士和博士課程所進行的合作就體現了這一點，我很高興這項合作已經取得了可喜的成果。”

隨著世界進入量子模擬的新時代，令人欣慰的是，都柏林聖三一學院的量子物理學家站在最前線–為未來的設備編程。量子模擬是由約翰-古爾德（John Goold）教授創立並領導的新成立的三位一體量子聯盟的核心研究支柱，該聯盟擁有五家創始工業合作夥伴，包括IBM、微軟、Algorithmiq、Horizo​​​​n和Moodys Analytics 。