量子運算突破：邁向通用模擬新里程

透過將數位控制與類比模擬相融合，科學家們創造出了一款強大的新型量子模擬器，成功突破了傳統限制。這種混合系統能夠精準操控量子態，同時自然地模擬現實世界的物理現象，從而在磁學、超導體甚至天體物理學等領域實現了重大突破。

谷歌實驗室的物理學家們研發出了一種新型的數位 - 類比量子模擬器，能夠以前所未有的精準度和適應性研究複雜的物理過程。來自PSI科學計算、理論與資料中心的兩位研究人員在這一突破中起到了關鍵作用。

試想一下，把冷牛奶倒入熱咖啡這個簡單的動作 —— 牛奶是如何擴散和混合的呢？即便最先進的超級電腦，也難以高精度地模擬這個過程，因為背後的量子力學極其複雜。1982年，諾貝爾獎獲得者、物理學家理查德·費曼提出了一個替代方案：與其使用經典電腦，為何不建造能夠直接模擬量子物理過程的量子電腦呢？如今，隨著量子運算的快速發展，費曼的願景比以往任何時候都更接近現實。

PSI的兩位理論物理學家安德烈亞斯·勞赫利（Andreas Läuchli）和安德烈亞斯·埃爾本（Andreas Elben）與谷歌以及五個國家的大學研究人員合作，成功建造並測試了一種新型的數位 - 類比量子模擬器。這是一個里程碑，因為他們的模擬器不僅能以前所未有的精準度計算物理過程，而且概念極其靈活，意味著它可以應用於許多不同的問題 —— 從固體物理學到天體物理學。他們的研究成果今日發表在著名的科學期刊《自然》上。

這款新型量子處理器的一個關鍵特性是，谷歌研發的量子晶片上的69個超導量子位元（qubit）允許數位和類比兩種操作模式。數位量子電腦使用通用量子閘執行操作，類似於經典電腦中的邏輯閘。不同之處在於，由於量子力學的疊加原理，量子位元不僅可以處於0和1的狀態，還可以處於許多中間狀態。

儘管這種純數位量子電腦已經非常強大，但它們作為量子模擬器的潛力仍然有限。另一方面，類比量子模擬器依賴於對物理過程的直接模擬，逼真地模擬不同粒子之間的相互作用，例如研究固體中的磁性特性。這兩種方法 —— 數位和類比 —— 如今在一項實驗中首次成功結合，充分發揮了二者的優勢。

為此，物理學家們定義了離散的初始條件，例如向固體中引入熱量 —— 這就是數位模式。這使得起始條件能夠被精確且靈活地定義。以咖啡杯為例，這就像是一個牛奶壺同時在一百個不同的地方以指定和可控的方式倒入牛奶滴。隨後牛奶在咖啡中擴散的過程對應於類比模式。量子位元之間的相互作用模擬了物理動力學，例如熱傳播或磁疇的形成，就像它們在真實固體中發生的那樣。

PSI的研究員安德烈亞斯·埃爾本表示：「我們可以觀察量子模擬器達到熱平衡的過程 —— 用咖啡的比喻來說，就是牛奶在咖啡中均勻分佈，並在此過程中使溫度達到均衡。」安德烈亞斯·勞赫利指出：「我們的研究表明，有可能在晶片上製造超導類比 - 數位量子處理器，並且這些處理器適合作為量子模擬器。」

然而，熱平衡化 —— 達到熱平衡的過程 —— 只是可以用新型量子模擬器解答的眾多令人興奮的問題之一。這裡展示的概念為通用量子模擬器鋪平了道路，並將應用於廣泛的物理學領域。它超越了現有類比量子模擬器的能力，現有的每一種模擬器僅適用於特定的物理問題。

勞赫利的專長領域磁學就是可以用這種方式研究的一個主題。谷歌量子晶片中的量子位元呈矩形排列，在初始狀態下，它們的磁場方向嚴格交替。但如果晶片是三角形的會怎樣呢？這可能會破壞整齊的排列，因為量子位元無法按照它們自然採用的規律模式調整其磁取向。這種現象被稱為阻挫磁性，例如在與基於電子的磁自旋而非電荷來切換和儲存位元的電腦晶片相關的研究中很受關注。這將導致更高的儲存密度和更快的計算速度。

在新材料的研發中，例如高溫超導體，甚至在能夠更精準使用且副作用更少的藥物研發方面，也開闢了更多應用前景。量子模擬器在天體物理學中甚至也有需求。一個例子是所謂的資訊悖論，它指出在量子物理學中資訊不應丟失。然而，天體物理學家認為黑洞實際上會破壞有關其形成的資訊 —— 新型量子模擬器可能會澄清這種情況。

安德烈亞斯·勞赫利承諾：「我們的量子模擬器為新的研究開啟了大門。」儘管與谷歌的專案已經結束，但在PSI，他和他的團隊仍面臨許多其他物理問題。在ETHZ和PSI的量子運算中心以及其他地方，正在各種技術平臺上開發量子電腦和量子模擬器，包括囚禁離子、超導量子位元和裡德伯原子。這些系統很快將使PSI能夠研究量子物理學提出的令人興奮的問題。

安德烈亞斯·勞赫利表示：「我們還為PSI大型研究設施的新實驗提供思路來源。當研究人員在這些設施中進行實驗時，我們會在解釋意外結果方面提供支援。未來，我們將越來越多地為此目的使用量子模擬器。」

參考文獻：Thermalization and criticality on an analogue–digital quantum simulator by T. I. Andersen, N. Astrakhantsev, A. H. Karamlou, J. Berndtsson, J. Motruk, A. Szasz, J. A. Gross, A. Schuckert, T. Westerhout, Y. Zhang, E. Forati, D. Rossi, B. Kobrin, A. Di Paolo, A. R. Klots, I. Drozdov, V. Kurilovich, A. Petukhov, L. B. Ioffe, A. Elben, A. Rath, V. Vitale, B. Vermersch, R. Acharya, L. A. Beni, K. Anderson, M. Ansmann, F. Arute, K. Arya, A. Asfaw, J. Atalaya, B. Ballard, J. C. Bardin, A. Bengtsson, A. Bilmes, G. Bortoli, A. Bourassa, J. Bovaird, L. Brill, M. Broughton, D. A. Browne, B. Buchea, B. B. Buckley, D. A. Buell, T. Burger, B. Burkett, N. Bushnell, A. Cabrera, J. Campero, H.-S. Chang, Z. Chen, B. Chiaro, J. Claes, A. Y. Cleland, J. Cogan, R. Collins, P. Conner, W. Courtney, A. L. Crook, S. Das, D. M. Debroy, L. De Lorenzo, A. Del Toro Barba, S. Demura, P. Donohoe, A. Dunsworth, C. Earle, A. Eickbusch, A. M. Elbag, M. Elzouka, C. Erickson, L. Faoro, R. Fatemi, V. S. Ferreira, L. Flores Burgos, A. G. Fowler, B. Foxen, S. Ganjam, R. Gasca, W. Giang, C. Gidney, D. Gilboa, M. Giustina, R. Gosula, A. Grajales Dau, D. Graumann, A. Greene, S. Habegger, M. C. Hamilton, M. Hansen, M. P. Harrigan, S. D. Harrington, S. Heslin, P. Heu, G. Hill, M. R. Hoffmann, H.-Y. Huang, T. Huang, A. Huff, W. J. Huggins, S. V. Isakov, E. Jeffrey, Z. Jiang, C. Jones, S. Jordan, C. Joshi, P. Juhas, D. Kafri, H. Kang, K. Kechedzhi, T. Khaire, T. Khattar, M. Khezri, M. Kieferová, S. Kim, A. Kitaev, P. Klimov, A. N. Korotkov, F. Kostritsa, J. M. Kreikebaum, D. Landhuis, B. W. Langley, P. Laptev, K.-M. Lau, L. Le Guevel, J. Ledford, J. Lee, K. W. Lee, Y. D. Lensky, B. J. Lester, W. Y. Li, A. T. Lill, W. Liu, W. P. Livingston, A. Locharla, D. Lundahl, A. Lunt, S. Madhuk, A. Maloney, S. Mandrà, L. S. Martin, O. Martin, S. Martin, C. Maxfield, J. R. McClean, M. McEwen, S. Meeks, K. C. Miao, A. Mieszala, S. Molina, S. Montazeri, A. Morvan, R. Movassagh, C. Neill, A. Nersisyan, M. Newman, A. Nguyen, M. Nguyen, C.-H. Ni, M. Y. Niu, W. D. Oliver, K. Ottosson, A. Pizzuto, R. Potter, O. Pritchard, L. P. Pryadko, C. Quintana, M. J. Reagor, D. M. Rhodes, G. Roberts, C. Rocque, E. Rosenberg, N. C. Rubin, N. Saei, K. Sankaragomathi, K. J. Satzinger, H. F. Schurkus, C. Schuster, M. J. Shearn, A. Shorter, N. Shutty, V. Shvarts, V. Sivak, J. Skruzny, S. Small, W. Clarke Smith, S. Springer, G. Sterling, J. Suchard, M. Szalay, A. Sztein, D. Thor, A. Torres, M. M. Torunbalci, A. Vaishnav, S. Vdovichev, B. Villalonga, C. Vollgraff Heidweiller, S. Waltman, S. X. Wang, T. White, K. Wong, B. W. K. Woo, C. Xing, Z. Jamie Yao, P. Yeh, B. Ying, J. Yoo, N. Yosri, G. Young, A. Zalcman, N. Zhu, N. Zobrist, H. Neven, R. Babbush, S. Boixo, J. Hilton, E. Lucero, A. Megrant, J. Kelly, Y. Chen, V. Smelyanskiy, G. Vidal, P. Roushan, A. M. Läuchli, D. A. Abanin and X. Mi, 5 February 2025, Nature. DOI: 10.1038/s41586-024-08460-3