顶科前沿｜模拟量子计算机

第三届世界顶尖科学家论坛（WLF）特别设立了科学前沿话题讲堂，邀请12位前沿科技领域的科学家，向公众介绍最新研究进展，畅谈科学为人类带来的福祉。

 

进入2021，应对人类面临的共同挑战，让我们再现别开生面的“科学盛宴”，重温科学家的精彩演说。今天回访的是2013年沃尔夫物理学奖得主伊格纳西奥·西拉克（Ignacio Cirac）。

量子计算是近年科学界的热门领域。随着谷歌“悬铃木”、中科大“九章”先后在不同领域实现量子优越性，量子计算也进入了大众的视野。作为量子计算和量子信息理论领域的先驱之一，西拉克以量子多体问题为例，介绍了量子计算为何能解决普通计算机无法解决的问题。

西拉克教授基本资料 图 | WLF独家西拉克介绍说，从低温化学反应、新材料研发到高能物理，量子多体问题在科学领域基本上无处不在，但用普通计算机很难解决这些问题。

40年前，理查德·费曼（Richard Feynman）已经意识到这一点：由于量子处于叠加态，需要指定各种各样的系数，每种可能的结构都要有一个系数。如果在普通计算机中存储所有这些系数并进行计算，所需的内存和计算时间随粒子数增加而呈指数型增长。当达到10或20个粒子之后，普通计算机就无法胜任了。

费曼同时也提供了解决方案——使用量子系统本身计算量子多体系统。

模拟量子计算机，西拉克称之为类比量子模拟，它是量子计算机的模拟版本：“使用一个你能很好控制的量子系统，然后让系统以你想解决的问题的方式运行。”

“例如，你想解决一个材料科学的问题，通过另一个你很熟悉并可以控制的量子模拟出的系统，设计交互，使得系统的行为与你想解决的问题一样。然后它将涉及到你想要解决的问题的动态变化并进行测量，这就是避免运算量指数上升的方法。”

西拉克着重介绍了使用光学晶格中的冷原子进行模拟量子计算的方法。科学家用这种方法，模拟凝聚态物理、高能物理和量子化学领域的问题。

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