从超等盘算机到量子盘算机的奔腾，或将解开物理教中最神奇观点

布鲁克海文国度试验室盘算机科学家迈克尔·麦奎根(Michael McGuigan)说：想想看，假如我们教量子盘算机做统计力学，我们能做什么？其时，麦奎根正在反思绪德维希·玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann)，以及这位闻名的物理学家，怎样不得不鼎力大举保卫他的统计力学理论。玻尔兹曼在19世纪末提出了他关于原子性子怎样决定物质物理性子的想法，但他有一个特别庞大的停滞：其时乃至没有证明原子的存在。

同时期的人不担当他对原子和物理学看法所带来的疲乏和沮丧一向困扰着玻尔兹曼。今日，玻尔兹曼因子在物理学中得到了遍及的应用。玻尔兹曼因子盘算的是相对付零能量而言，处于特定能量状态的粒子体系被发觉的概率。比方，玻尔兹曼因子被用来活着界上最大的超等盘算机上举行盘算，以研究原子、分子和夸克“汤”的举动

这些盘算是使用布鲁克海文试验室的相对论重离子对撞机和欧洲核子研究中间的大型强子对撞机等办法。固然要证明玻尔兹曼是对的，必要一场排山倒海的改变，但盘算机科学家如今正处于新一轮盘算海潮的边沿，他们正在实现从超等盘算机到量子盘算机的奔腾。这些量子盘算机有大概解开物理学中一些最神奇的观点。并且，惊奇的是，这些所谓的神秘大概对很多人来说有点熟习。

固然大多数人都很熟习时间和温度的观点，而且每天都市看它们频频，但究竟证明，这些根本观点在物理学中仍旧是个谜。玻尔兹曼因子有助于对温度效应举行建模，这些温度效应可以用来猜测和操纵原子举动和物理性子，它们在经典盘算机上成效很好。然而，在量子盘算机上，盘算中利用的量子规律门（雷同于数字电路中的规律门）是用复数表现，而不是波尔兹曼因子依据界说，波尔兹曼因子是实数。

这一题目为McGuigan和门生/合著者Raffaele Miceli提供了一个有味的题目，可以利用布鲁克海文试验室通过橡树岭国度试验室的IBM Q Hub访问IBM通用量子盘算体系协议提供的量子盘算试验台来办理。这项互助许可布鲁克海文（以及网络中的其他人）访问IBM的贸易量子体系，包罗用于试验的20和53量子比特体系。在量子盘算机上，另有另一种模仿有限温度的要领，称为热场动力学，它可以或许盘算与时间和温度有关的量。

在这种情势中，结构一个体系的双倍，称为热双倍，然后在量子盘算机上举行盘算，由于盘算可以用复数的量子规律门来表现。最终，可以把双态相加，并孕育发生一个有用的玻尔兹曼因子，用于有限温度下的盘算。情势主义也有必然的长处。比方，可以利用这种量子算法研究有限温度的影响，以及其时间和温度离开时，体系是怎样及时演化的。

一个缺点是，它必要比零温度盘算多一倍的量子比特来处置惩罚双态。研究职员演示了怎样在包罗几个粒子的简洁体系上，实现有限温度下温度场动力学的量子算法，并发觉与经典盘算完全同等，研究利用了经典和量子盘算的资源，利用了Qiskit开源量子盘算软件，这使得可以在云中创建研究职员的算法。然后，Qiskit将该代码转换成与量子盘算机举行及时通讯的脉冲。

运行经典算法的优化器进一步实现了传统体系和量子体系之间的来回。试验评释，量子体系有一个上风，那便是正确地表现及时盘算，而不是从想象的时间扭转到及时来查找效果。研究提供了一个体系怎样进化的更真实的图景，可以把这个题目映射到量子模仿上，让它进化。量子宇宙学是麦吉根估计新的量子盘算选择将孕育发生深远影响的另一个范畴。

只管当代超等盘算机在了解宇宙方面取得了很多前进，但一些物理体系仍旧凌驾了它们的本领范畴。数学上的庞大性，通常包罗对全量子引力理论的解说，的确太大了，以至于无法得到准确的解。然而，一台真正的量子盘算机，具备使用胶葛和叠加的本领，将为新的、更准确的算法提供更多的选择。量子体系可以及时实现路径积分，让科学家可以或许举行大范围的宇宙模仿。你可以想象出宇宙向前演化时盘算出的波函数，而不必要先形成一个完备的量子引力理论。

再一次，利用Qiskit软件包和访问IBM Q硬件，McGuigan和布朗大学的门生Charles Kocher，利用经典盘算要领和VQE混淆举行了种种试验，包罗一项查抄与玻色子场（一种在当代宇宙学中发挥紧张作用的假想粒子）耦合的引力与玻色子场耦合的体系试验。研究评释，混淆VQE孕育发生的波函数与Wheeler-Dewitt方程同等，Wheeler-Dewitt方程在数学上联合了量子力学和阿尔伯特·爱因斯坦的相对论。固然早期的量子试验，导致了对物理学背后底子知识的差别视角。

但量子盘算有望为办理影响能源部使命的恒久题目做出庞大奉献。此中，它可以成为展现新质料、办理能源挑衅或增添对高能物理和宇宙学根本了解的东西（如时间和温度）。反过来，这些改变大概会级联到更简单辨认的范畴。比方，药物开辟者必要更多的量子力学来了解分子布局。量子盘算机可以通过提供完备量子力学的模仿来实现发觉，这将提供一个真正有用的看法。人们彷佛总是对物理学背后的底子知识感兴趣，几千年来，民众一向对它感兴趣。现在，理论专业知识和现实技能的联合正在与量子盘算融合。

然而，这仍旧是一项非凡人性化的高兴。现在，利用近期量子盘算机来办理小的热场题目或重新审视旧宇宙，正在鼓励研究职员在科学上做更大事变的同时，扩大算法。天下各地的其他构造，如加拿大的周长研究所和荷兰的阿姆斯特丹大学，已经在将热场双量子算法扩展到更大的体系。随着50-100量子位的大型近期量子盘算机显现，目的是在涉及很多粒子的实际体系上运行有限的温度模仿。有一台真正的量子盘算机来测试这些曾经没有办理方案的想法和题目令人愉快。

博科园｜研究/来自：布鲁克海文国度试验室

参考期刊《NYSDS》

DOI: 10.1109/NYSDS.2018.8538963

DOI: 10.1109/NYSDS.2019.8909787

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