化學(xué)學(xué)家早已創(chuàng)造了一種新型的模擬量子計(jì)算機(jī)，才能解決最強(qiáng)悍的數(shù)字超級(jí)計(jì)算機(jī)難以解決的挑戰(zhàn)性化學(xué)問題。來自德國(guó)哈佛學(xué)院和英國(guó)曼徹斯特學(xué)院大學(xué)（UCD）的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在《自然-化學(xué)學(xué)》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)突破性研究顯示，一種新型的高度專業(yè)化的模擬計(jì)算機(jī)，在其電路中配備了量子組件，才能解決量子化學(xué)學(xué)中的復(fù)雜問題，這種問題曾經(jīng)是難以解決的。
若果這種設(shè)備才能擴(kuò)大規(guī)模，它們有可能為數(shù)學(xué)學(xué)中一些最重要的未解決的問題提供看法。
比如，科學(xué)家和工程師常年以來仍然在尋求對(duì)超導(dǎo)性的深入理解。目前量子物理如何改變世界，超導(dǎo)材料，如用于核磁共振儀、高速動(dòng)車和節(jié)能長(zhǎng)距離電力網(wǎng)路的材料量子物理如何改變世界，只在極低的氣溫下發(fā)揮作用，妨礙了其更廣泛的應(yīng)用。材料科學(xué)的最終目標(biāo)是發(fā)覺在溫度下表現(xiàn)出超導(dǎo)性的材料，這將徹底改變它們?cè)谥T多技術(shù)中的應(yīng)用。
新的量子模擬器的顯微合照，其特征是在一個(gè)電子電路中嵌入兩個(gè)耦合的納米大小的金屬半導(dǎo)體器件。
安德魯-米切爾博士是UCD量子工程、科學(xué)和技術(shù)中心（C-QuEST）的校長(zhǎng)，UCD化學(xué)大學(xué)的理論化學(xué)學(xué)家，也是該論文的共同作者。他說。"個(gè)別問題實(shí)在是太復(fù)雜了，雖然是最快的數(shù)字精典計(jì)算機(jī)也未能解決。低溫超導(dǎo)體等復(fù)雜量子材料的精確模擬就是一個(gè)十分重要的事例--這些估算遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了目前的能力，由于模擬現(xiàn)實(shí)模型的特點(diǎn)須要指數(shù)級(jí)的估算時(shí)間和顯存。"
安德魯-米切爾博士是阿姆斯特丹學(xué)院大學(xué)的理論化學(xué)學(xué)家，擁有美國(guó)研究委員會(huì)的桂冠獎(jiǎng)，是UCD量子工程、科學(xué)和技術(shù)中心（C-QuEST）的校長(zhǎng)。資料來源：UCD媒體：文森特-霍本的相片
"但是，推進(jìn)數(shù)字革命的技術(shù)和工程進(jìn)展帶來了在納米尺度上控制物質(zhì)的前所未有的能力。這使我們就能設(shè)計(jì)專門的模擬計(jì)算機(jī)，稱為'量子模擬器'，通過借助其納米級(jí)組件的固有量子熱學(xué)特點(diǎn)來解決量子化學(xué)學(xué)中的特定模型。其實(shí)我們還不能構(gòu)建一個(gè)具有足夠功率的多用途可編程量子計(jì)算機(jī)來解決數(shù)學(xué)學(xué)中的所有開放問題，但我們?nèi)缃衲茏龅氖菢?gòu)建具有量子組件的訂制模擬設(shè)備，可以解決特定的量子化學(xué)問題。"
這種新的量子設(shè)備的構(gòu)架涉及到列入納米電子電路的混和金屬半導(dǎo)體器件，是由哈佛學(xué)院、UCD和能源部的SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室（坐落哈佛學(xué)院）的研究人員設(shè)計(jì)的。由David-院長(zhǎng)領(lǐng)導(dǎo)的哈佛學(xué)院實(shí)驗(yàn)納米科學(xué)小組建造并操作了該裝置，而理論和建模工作則由UCD的博士完成。
-院長(zhǎng)是哈佛材料和能源科學(xué)研究所的研究員，他說。"我們總是在做物理模型，希望能抓牢我們感興趣的現(xiàn)象的本質(zhì)，但即便我們相信它們是正確的，它們常常也未能在合理的時(shí)間內(nèi)解決。"
有了量子模擬器，"我們有了這種可以轉(zhuǎn)動(dòng)的旋鈕，這在原先是沒有的，"戈德哈伯-戈登院長(zhǎng)說。
為何是模擬？
-說，這種模擬設(shè)備的基本理念是為你想要解決的問題構(gòu)建一種硬件類比，而不是為一個(gè)可編程的數(shù)字計(jì)算機(jī)編撰一些計(jì)算機(jī)代碼。諸如，假定你想預(yù)測(cè)夜空中行星的運(yùn)動(dòng)和日全食的時(shí)間。你可以通過建立一個(gè)太陽系的機(jī)械模型來做到這一點(diǎn)，有人轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄，旋轉(zhuǎn)的聯(lián)鎖蝸桿代表月亮和行星的運(yùn)動(dòng)。事實(shí)上，這樣的機(jī)制是在法國(guó)一個(gè)島嶼海對(duì)岸的唐代沉沒中發(fā)覺的，可以溯源到2000多年前。這個(gè)裝置可以被看作是特別初期的模擬計(jì)算機(jī)。
不容忽略的是，模擬機(jī)甚至在20世紀(jì)末還被拿來進(jìn)行物理估算，這種估算對(duì)于當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的數(shù)字計(jì)算機(jī)來說太難了。
但要解決量子化學(xué)問題，設(shè)備須要涉及量子組件。新的量子模擬器構(gòu)架涉及帶有納米級(jí)器件的電子電路，這種器件的特點(diǎn)受量子熱學(xué)定理的掣肘。重要的是，許多這樣的組件可以被制造下來，每一個(gè)組件的行為都與其他組件基本相同。這對(duì)于模擬仿真量子材料至關(guān)重要，電路中的每位電子器件都是被模擬的原子的代理，其行為如同一個(gè)"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(jì)算機(jī)的不同電子器件也必須這么。
為此，新的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)奇特的途徑，可以將該技術(shù)從單個(gè)單元擴(kuò)充到就能模擬大量量子物質(zhì)的小型網(wǎng)路。據(jù)悉，研究人員表明，新的微觀量子互相作用可以在這些設(shè)備中被設(shè)計(jì)下來。這項(xiàng)工作是朝著開發(fā)新一代可擴(kuò)充的固態(tài)模擬量子計(jì)算機(jī)邁出的一步。
為了證明使用她們新的量子模擬器平臺(tái)進(jìn)行模擬量子估算的能力，研究人員首先研究了一個(gè)由兩個(gè)量子器件耦合在一起的簡(jiǎn)單電路。
該裝置模擬了一個(gè)由奇異的量子互相作用耦合在一起的兩個(gè)原子的模型。通過調(diào)整電流，研究人員才能形成一種新的物質(zhì)狀態(tài)，其中電子雖然只具有其一般電荷的1/3--所謂的"Z3準(zhǔn)分子"。那些無法飄忽的狀態(tài)已被提議作為未來拓?fù)淞孔庸浪愕幕A(chǔ)，但之前未曾在實(shí)驗(yàn)室的電子設(shè)備中創(chuàng)造過。
米切爾博士說："通過將量子模擬器從兩個(gè)組件擴(kuò)充到許多納米大小的組件，我們希望我們就能對(duì)當(dāng)前計(jì)算機(jī)難以處理的更復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行建模。這可能是最終解開我們量子宇宙中一些最令人困擾的謎題的第一步。"
