一種功能強(qiáng)大的新計算形式可以幫助科學(xué)家設(shè)計納米電子材料的新類型，讓航空公司解決復(fù)雜的物流問題，以確保航班準(zhǔn)時運行，并解決交通堵塞，讓汽車在繁忙的道路上更自由地行駛。盡管現(xiàn)代數(shù)字計算機(jī)具有驚人的計算能力，但即使是最先進(jìn)的超級計算機(jī)也面臨著一些問題。但研究人員相信，利用量子力學(xué)的力量，新型計算機(jī)可以在幾秒鐘內(nèi)解決這些問題。量子力學(xué)定律制約著玻色子、費米子和任意子等微觀粒子的奇怪行為。

制造通用量子計算機(jī)已經(jīng)被證明是異常困難的，目前只有少數(shù)昂貴的機(jī)器正在開發(fā)中。相反，一些科學(xué)家正在采取另一種方法，建立被稱為模擬量子模擬器的計算系統(tǒng)，試圖為量子計算機(jī)提供一些答案找到一條捷徑。這些模擬器旨在通過模擬宇宙中最小粒子可能的行為，來探索量子物理的特定性質(zhì)。這反過來又可以應(yīng)用于解決更廣泛世界中的復(fù)雜問題，這些問題目前是不可能解決的，或者使用經(jīng)典計算機(jī)可能需要一輩子才能解決。

英國斯特拉斯克萊德大學(xué)(Strathclyde University)物理學(xué)家、帕斯昆斯項目成員安德魯戴利(Andrew Daley)教授說：我真正喜歡的類比是，模擬量子模擬器有點像風(fēng)洞。幾十年前，在電腦上模擬氣流是不可能的，所以只能建立一個比例模型，然后把它放在風(fēng)洞里。但在模擬量子模擬中，尺度變化是相反的——不是在做一個更小的版本，而是在做一個更大版本。這使得它更容易控制，因此更容易了解某些東西可能如何工作的細(xì)節(jié)。

該項目召集了來自歐洲各地的一個研究團(tuán)隊，試圖建立一些迄今為止最強(qiáng)大的模擬量子模擬器，使用原子和離子作為亞原子粒子的放大模型。例如，被冷卻到絕對零度以上幾度的超冷原子可以懸浮在激光形成的晶格中，以模擬電子在晶體中的運動。到目前為止，最先進(jìn)的量子模擬器在模型中使用了大約100個超冷原子或至多20個離子，但該團(tuán)隊希望將他們的系統(tǒng)增加到1000多個原子和至多50個離子。

這可能會使這些模擬器的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過經(jīng)典計算機(jī)所能達(dá)到的水平，其時間尺度要比建造一臺普通量子計算機(jī)短得多。一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是使模擬器更加可控和可編程。參與該項目的研究人員正在開發(fā)控制原子的新技術(shù)，比如用激光“鑷子”捕捉原子，使選定的原子處于高能量狀態(tài)，或者使它們以不同的方式相互作用?？删幊塘孔颖忍鼐褪且屵@些系統(tǒng)在單個晶格點、單個離子或單個原子的水平上，以一種經(jīng)過良好校準(zhǔn)的方式高度可控。

雖然這些模擬器可以幫助物理學(xué)家解決有關(guān)量子系統(tǒng)中粒子行為的棘手問題，但它們也可以用于解決更大的現(xiàn)實問題。例如，量子退火算法利用了量子物理的一個怪癖，即亞原子粒子、原子和更大的分子在改變能量狀態(tài)時可以找到阻力最小的路徑。這就好比試圖把球滾上山去到達(dá)另一邊更深的山谷——如果沒有給球足夠的推力，它就沒有足夠的能量到達(dá)山頂，只會簡單地向后滾。相比之下，量子粒子可以通過簡單的量子隧穿來繞過它們必須克服的能量峰值。

這種更容易找到低能態(tài)的能力意味著量子退火可以用來找到優(yōu)化復(fù)雜交通網(wǎng)絡(luò)或復(fù)雜物流鏈的方法?？梢詮钠渌胤秸业揭粋€問題，并把它映射到原子或離子之間的相互作用上。然后我們可以開始提問，找出可能的最低能量配置?？湛?Airbus)、道達(dá)爾(Total)、博世(Bosch)、法國電力(Electricite de France, EDF)和西門子(Siemens)等大型企業(yè)已表示有興趣探索這種方式。這兩家公司的研究人員正在與該項目合作，試圖找到潛在的應(yīng)用，可以應(yīng)用到他們的商業(yè)運營中。

例如，在飛機(jī)上，它可以用來幫助確保飛機(jī)和機(jī)組人員處于正確的位置，以保證航班順利運行。它還可以用來快速模擬在繁忙道路上改變交通路線的最佳方式，以避免擁堵和減少污染?，F(xiàn)在研究人員已經(jīng)建立了一個終端用戶論壇，就可以在模擬量子模擬平臺上實現(xiàn)的這類問題獲得具體想法。這些大問題對工業(yè)界來說特別有趣，可以在量子系統(tǒng)上模擬它們，量子模擬器的力量不僅在于找到優(yōu)化過程的方法。

研究人員表示，量子模擬器的首批應(yīng)用之一將是幫助設(shè)計新材料，包括納米電子和超導(dǎo)體。這也是Qombs項目所追求的，通過創(chuàng)建一個模擬量子模擬來設(shè)計新一代材料，可以產(chǎn)生高可調(diào)諧紅外激光器?，F(xiàn)代激光器的波長或顏色由發(fā)光二極管中的元素決定。但是，通過在不同濃度的金屬(如鋁、鎵和砷)中分層生長晶體，該項目背后的研究人員希望創(chuàng)造出一種半導(dǎo)體材料，這種材料可以產(chǎn)生波長不同的激光，否則這是不可能實現(xiàn)的，這些裝置被稱為量子級聯(lián)激光器。

位于意大利佛羅倫薩的國家光學(xué)研究所(National Institute of optical)研究員、Qombs團(tuán)隊成員卡佩里(Francesco Cappelli)博士說：我們正在利用量子模擬來優(yōu)化和獲得新的特性，這些特性將改善目前量子級聯(lián)激光器的性能。通過模擬電子和光子在不同結(jié)構(gòu)和金屬濃度下的行為，研究小組希望能更好地控制這些設(shè)備產(chǎn)生光的波長。如果成功的話，它可能會帶來一種設(shè)備，這種設(shè)備可以產(chǎn)生波長極長的光，這種光可以延伸到中遠(yuǎn)紅外線，這是目前無法實現(xiàn)的。

這些波長可以用于通訊，因為大氣中的氣體不會吸收這些波長的光。與可見光相比，大氣不僅是透明的，而且由于濕度和灰塵造成的散射也減少了。把激光調(diào)到特定波長也可以讓它們用于傳感器，探測特定的氣體，如污染物或其他有害物質(zhì)。例如，一種量子級聯(lián)激光器可以發(fā)射出二氧化氮吸收的精確波長的光，可以用來精確測量城市地區(qū)的氣體水平，設(shè)計具有這種性質(zhì)的半導(dǎo)體晶體在傳統(tǒng)電腦上是不可能的。

在傳統(tǒng)計算機(jī)中，信息包含在二進(jìn)制數(shù)字或位中，二進(jìn)制數(shù)字或位的值為1或0。在量子系統(tǒng)中，亞原子粒子不僅可以以二進(jìn)制1或0的狀態(tài)存在，而且它們可以同時持有1和0的多種組合，從而形成一個“量子位”。由于量子位可以同時是1、0或1和0，這意味著可以同時進(jìn)行更多的計算。更奇怪的是，成對的量子位元也會糾纏在一起，因此當(dāng)一個量子位元的狀態(tài)改變時，另一個量子位元也會隨之改變，即使它們相隔很遠(yuǎn)，這種神秘的現(xiàn)象成倍地增加了量子計算機(jī)的數(shù)字運算能力。