布魯克海文國家實驗室計算機(jī)科學(xué)家邁克爾·麥奎根(Michael McGuigan)說：想想看，如果我們教量子計算機(jī)做統(tǒng)計力學(xué)，我們能做什么？當(dāng)時，麥奎根正在反思路德維?！げ柶澛?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)計力學(xué)理論。玻爾茲曼在19世紀(jì)末提出了關(guān)于原子性質(zhì)如何決定物質(zhì)物理性質(zhì)的想法，但他有一個異常巨大的障礙：當(dāng)時甚至沒有證明原子的存在。

今天，玻爾茲曼因子在物理學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，與玻爾茲曼同時期的人不接受他對原子和物理學(xué)觀點，使他一度疲憊和沮喪。玻爾茲曼因子計算的是相對于零能量而言，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在世界上最大的超級計算機(jī)上進(jìn)行計算，以研究原子、分子和夸克的行為。

這些計算是利用布魯克海文實驗室的相對論重離子對撞機(jī)和歐洲核子研究中心的大型強子對撞機(jī)等設(shè)施。雖然要證明玻爾茲曼是對的，需要一場翻天覆地的變化，但計算機(jī)科學(xué)家現(xiàn)在正處于新一輪計算浪潮的邊緣，他們正在實現(xiàn)從超級計算機(jī)到量子計算機(jī)的飛躍。這些量子計算機(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許多人來說有點熟悉。

雖然大多數(shù)人都很熟悉時間和溫度的概念，并且每天都會看它們幾次，但事實證明，這些基本概念在物理學(xué)中仍然是個謎。玻爾茲曼因子有助于對溫度效應(yīng)進(jìn)行建模，這些溫度效應(yīng)可以用來預(yù)測和控制原子行為和物理性質(zhì)，它們在經(jīng)典計算機(jī)上效果很好。然而，在量子計算機(jī)上，計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，波爾茲曼因子是實數(shù)。

這一問題為McGuigan和學(xué)生/合著者Raffaele Miceli提供了一個有趣的問題，可以使用布魯克海文實驗室通過橡樹嶺國家實驗室的IBM Q Hub訪問IBM通用量子計算系統(tǒng)協(xié)議提供的量子計算試驗臺來解決。這項合作允許布魯克海文（以及網(wǎng)絡(luò)中的其他人）訪問IBM的商業(yè)量子系統(tǒng)，包括用于實驗的20和53量子比特系統(tǒng)。在量子計算機(jī)上，還有另一種模擬有限溫度的方法，稱為熱場動力學(xué)，它能夠計算與時間和溫度有關(guān)的量。

在這種形式中，構(gòu)造一個系統(tǒng)的雙倍，稱為熱雙倍，然后在量子計算機(jī)上進(jìn)行計算，因為計算可以用復(fù)數(shù)的量子邏輯門來表示。最后，可以把雙態(tài)相加，并產(chǎn)生一個有效的玻爾茲曼因子，用于有限溫度下的計算。形式主義也有一定的優(yōu)點。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)時間和溫度分開時，系統(tǒng)是如何實時演化的。

一個缺點是，它需要比零溫度計算多一倍的量子比特來處理雙態(tài)。研究人員演示了如何在包含幾個粒子的簡單系統(tǒng)上，實現(xiàn)有限溫度下溫度場動力學(xué)的量子算法，并發(fā)現(xiàn)與經(jīng)典計算完全一致，研究使用了經(jīng)典和量子計算的資源，使用了Qiskit開源量子計算軟件，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)換成與量子計算機(jī)進(jìn)行實時通信的脈沖。

運行經(jīng)典算法的優(yōu)化器進(jìn)一步實現(xiàn)了傳統(tǒng)系統(tǒng)和量子系統(tǒng)之間的往返。實驗表明，量子系統(tǒng)有一個優(yōu)勢，那就是準(zhǔn)確地表示實時計算，而不是從想象的時間旋轉(zhuǎn)到實時來尋找結(jié)果。研究提供了一個系統(tǒng)如何進(jìn)化的更真實的圖景，可以把這個問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)計新的量子計算選擇將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的另一個領(lǐng)域。

盡管現(xiàn)代超級計算機(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，通常包括對全量子引力理論的解釋，簡直太大了，以至于無法獲得精確的解。然而，一臺真正的量子計算機(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)可以實時實現(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計算出的波函數(shù)，而不需要先形成一個完整的量子引力理論。

再一次，使用Qiskit軟件包和訪問IBM Q硬件，McGuigan和布朗大學(xué)的學(xué)生Charles Kocher，使用經(jīng)典計算方法和VQE混合進(jìn)行了各種實驗，包括一項檢查與玻色子場（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耦合的系統(tǒng)實驗。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·愛因斯坦的相對論。雖然早期的量子實驗，導(dǎo)致了對物理學(xué)背后基礎(chǔ)知識的不同視角。

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

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

原文標(biāo)題：從超級計算機(jī)到量子計算機(jī)的飛躍，或?qū)⒔忾_物理學(xué)中最神秘概念！

文章出處：【微信公眾號：中科院半導(dǎo)體所】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

責(zé)任編輯：haq