從超級(jí)計(jì)算機(jī)到量子計(jì)算機(jī)的飛躍，或?qū)⒔忾_物理學(xué)中最神秘概念！

布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)科學(xué)家邁克爾·麥奎根(Michael McGuigan)說(shuō)：想想看，如果我們教量子計(jì)算機(jī)做統(tǒng)計(jì)力學(xué)，我們能做什么？當(dāng)時(shí)，麥奎根正在反思路德維希·玻爾茲曼(Ludwig Boltzmann)，以及這位著名的物理學(xué)家，如何不得不大力捍衛(wèi)他的統(tǒng)計(jì)力學(xué)理論。玻爾茲曼在19世紀(jì)末提出了他關(guān)于原子性質(zhì)如何決定物質(zhì)物理性質(zhì)的想法，但他有一個(gè)異常巨大的障礙：當(dāng)時(shí)甚至沒(méi)有證明原子的存在。

同時(shí)期的人不接受他對(duì)原子和物理學(xué)觀點(diǎn)所帶來(lái)的疲憊和沮喪一直困擾著玻爾茲曼。今天，玻爾茲曼因子在物理學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用。玻爾茲曼因子計(jì)算的是相對(duì)于零能量而言，處于特定能量狀態(tài)的粒子系統(tǒng)被發(fā)現(xiàn)的概率。例如，玻爾茲曼因子被用來(lái)在世界上最大的超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算，以研究原子、分子和夸克“湯”的行為，這些計(jì)算是利用布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)和歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)等設(shè)施。

雖然要證明玻爾茲曼是對(duì)的，需要一場(chǎng)翻天覆地的變化，但計(jì)算機(jī)科學(xué)家現(xiàn)在正處于新一輪計(jì)算浪潮的邊緣，他們正在實(shí)現(xiàn)從超級(jí)計(jì)算機(jī)到量子計(jì)算機(jī)的飛躍。這些量子計(jì)算機(jī)有可能解開物理學(xué)中一些最神秘的概念。而且，奇怪的是，這些所謂的奧秘可能對(duì)許多人來(lái)說(shuō)有點(diǎn)熟悉。雖然大多數(shù)人都很熟悉時(shí)間和溫度的概念，并且每天都會(huì)看它們幾次，但事實(shí)證明，這些基本概念在物理學(xué)中仍然是個(gè)謎。

玻爾茲曼因子有助于對(duì)溫度效應(yīng)進(jìn)行建模，這些溫度效應(yīng)可以用來(lái)預(yù)測(cè)和控制原子行為和物理性質(zhì)，它們?cè)诮?jīng)典計(jì)算機(jī)上效果很好。然而，在量子計(jì)算機(jī)上，計(jì)算中使用的量子邏輯門（類似于數(shù)字電路中的邏輯門）是用復(fù)數(shù)表示，而不是波爾茲曼因子，根據(jù)定義，波爾茲曼因子是實(shí)數(shù)。這一問(wèn)題為McGuigan和學(xué)生/合著者Raffaele Miceli提供了一個(gè)有趣的問(wèn)題，可以使用布魯克海文實(shí)驗(yàn)室通過(guò)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的IBM Q Hub訪問(wèn)IBM通用量子計(jì)算系統(tǒng)協(xié)議提供的量子計(jì)算試驗(yàn)臺(tái)來(lái)解決。

這項(xiàng)合作允許布魯克海文（以及網(wǎng)絡(luò)中的其他人）訪問(wèn)IBM的商業(yè)量子系統(tǒng)，包括用于實(shí)驗(yàn)的20和53量子比特系統(tǒng)。在量子計(jì)算機(jī)上，還有另一種模擬有限溫度的方法，稱為熱場(chǎng)動(dòng)力學(xué)，它能夠計(jì)算與時(shí)間和溫度有關(guān)的量。在這種形式中，構(gòu)造一個(gè)系統(tǒng)的雙倍，稱為熱雙倍，然后在量子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)橛?jì)算可以用復(fù)數(shù)的量子邏輯門來(lái)表示。最后，可以把雙態(tài)相加，并產(chǎn)生一個(gè)有效的玻爾茲曼因子，用于有限溫度下的計(jì)算。

形式主義也有一定的優(yōu)點(diǎn)。例如，可以使用這種量子算法研究有限溫度的影響，以及當(dāng)時(shí)間和溫度分開時(shí)，系統(tǒng)是如何實(shí)時(shí)演化的。一個(gè)缺點(diǎn)是，它需要比零溫度計(jì)算多一倍的量子比特來(lái)處理雙態(tài)。研究人員演示了如何在包含幾個(gè)粒子的簡(jiǎn)單系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)有限溫度下溫度場(chǎng)動(dòng)力學(xué)的量子算法，并發(fā)現(xiàn)與經(jīng)典計(jì)算完全一致，研究使用了經(jīng)典和量子計(jì)算的資源，使用了Qiskit開源量子計(jì)算軟件，這使得可以在云中創(chuàng)建研究人員的算法。

然后，Qiskit將該代碼轉(zhuǎn)換成與量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信的脈沖。運(yùn)行經(jīng)典算法的優(yōu)化器進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)系統(tǒng)和量子系統(tǒng)之間的往返。實(shí)驗(yàn)表明，量子系統(tǒng)有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，那就是準(zhǔn)確地表示實(shí)時(shí)計(jì)算，而不是從想象的時(shí)間旋轉(zhuǎn)到實(shí)時(shí)來(lái)尋找結(jié)果。研究提供了一個(gè)系統(tǒng)如何進(jìn)化的更真實(shí)的圖景，可以把這個(gè)問(wèn)題映射到量子模擬上，讓它進(jìn)化。量子宇宙學(xué)是麥吉根預(yù)計(jì)新的量子計(jì)算選擇將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的另一個(gè)領(lǐng)域。

盡管現(xiàn)代超級(jí)計(jì)算機(jī)在理解宇宙方面取得了許多進(jìn)步，但一些物理系統(tǒng)仍然超出了它們的能力范圍。數(shù)學(xué)上的復(fù)雜性，通常包括對(duì)全量子引力理論的解釋，簡(jiǎn)直太大了，以至于無(wú)法獲得精確的解。然而，一臺(tái)真正的量子計(jì)算機(jī)，具備利用糾纏和疊加的能力，將為新的、更精確的算法提供更多的選擇。量子系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)路徑積分，讓科學(xué)家能夠進(jìn)行大規(guī)模的宇宙模擬。你可以想象出宇宙向前演化時(shí)計(jì)算出的波函數(shù)，而不需要先形成一個(gè)完整的量子引力理論。

再一次，使用Qiskit軟件包和訪問(wèn)IBM Q硬件，McGuigan和布朗大學(xué)的學(xué)生Charles Kocher，使用經(jīng)典計(jì)算方法和VQE混合進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)，包括一項(xiàng)檢查與玻色子場(chǎng)（一種在現(xiàn)代宇宙學(xué)中發(fā)揮重要作用的假想粒子）耦合的引力與玻色子場(chǎng)耦合的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。研究表明，混合VQE產(chǎn)生的波函數(shù)與Wheeler-Dewitt方程一致，Wheeler-Dewitt方程在數(shù)學(xué)上結(jié)合了量子力學(xué)和阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的相對(duì)論。雖然早期的量子實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致了對(duì)物理學(xué)背后基礎(chǔ)知識(shí)的不同視角。

但量子計(jì)算有望為解決影響能源部任務(wù)的長(zhǎng)期問(wèn)題做出重大貢獻(xiàn)。其中，它可以成為揭示新材料、解決能源挑戰(zhàn)或增加對(duì)高能物理和宇宙學(xué)基本理解的工具（如時(shí)間和溫度）。反過(guò)來(lái)，這些變化可能會(huì)級(jí)聯(lián)到更容易識(shí)別的領(lǐng)域。例如，藥物開發(fā)者需要更多的量子力學(xué)來(lái)理解分子結(jié)構(gòu)。量子計(jì)算機(jī)可以通過(guò)提供完整量子力學(xué)的模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，這將提供一個(gè)真正實(shí)用的觀點(diǎn)。人們似乎總是對(duì)物理學(xué)背后的基礎(chǔ)知識(shí)感興趣，幾千年來(lái)，公眾一直對(duì)它感興趣。目前，理論專業(yè)知識(shí)和實(shí)際技術(shù)的結(jié)合正在與量子計(jì)算融合。

然而，這仍然是一項(xiàng)非常人性化的努力。目前，使用近期量子計(jì)算機(jī)來(lái)解決小的熱場(chǎng)問(wèn)題或重新審視舊宇宙，正在激勵(lì)研究人員在科學(xué)上做更大事情的同時(shí)，擴(kuò)大算法。世界各地的其他組織，如加拿大的周長(zhǎng)研究所和荷蘭的阿姆斯特丹大學(xué)，已經(jīng)在將熱場(chǎng)雙量子算法擴(kuò)展到更大的系統(tǒng)。隨著50-100量子位的大型近期量子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)，目標(biāo)是在涉及許多粒子的現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)上運(yùn)行有限的溫度模擬。有一臺(tái)真正的量子計(jì)算機(jī)來(lái)測(cè)試這些曾經(jīng)沒(méi)有解決方案的想法和問(wèn)題令人興奮。

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博科園｜研究/來(lái)自：布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

參考期刊《NYSDS》

DOI: 10.1109/NYSDS.2018.8538963

DOI: 10.1109/NYSDS.2019.8909787

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