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利用量子计算机计数生成对亚原子世界的模拟

量子计算机 粒子加速器 亚原子
发布:2020-12-17 09:47:17     来源:中国同位素与辐射行业协会

科学家们展示了量子计算如何改变我们对量子过程的理解。

当两个重离子在粒子加速器内碰撞时,它们会产生一种近乎完美的流体,各种基本粒子在其中游动。对于科学家来说,要用一台经典计算机精确地模拟哪怕是微小的一滴这种高温而稠密的亚原子混合物,所需要的时间要比宇宙的年龄还要长。

理论家、实验家和计算机科学家正在合作,探索如何在量子计算这个强大而新兴的工具的帮助下破解数学。

“现在是我们开始思考如何从量子硬件的进步中获益的时候了"。美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室从事ALICE实验的博士后穆里根(James Mulligan)说。

今天,物理学家使用高性能经典计算机集群来计算数字并生成对亚原子世界的模拟。经典计算机将复杂的信息还原成1和0的组合,称为比特。计算机的硬件通过释放微小的电子脉冲来处理和编码这些比特(例如,1表示有电荷,0则没有电荷)。从这些简单的构件中,计算机可以执行令人难以置信的复杂计算,但它们需要大量的时间和资源。

量子计算机采用经典计算的这一原理,并增加了一层细微差别。“这取决于量子空间具有经典信息所不具备的特性,”穆里根说。“量子物体(例如粒子)可以同时处于两种状态,我们称之为叠加。”

量子计算将 "有电荷与无电荷 "的确定性属性换成了量子属性,比如电子的自旋。自旋是一种内在特性,当被测量时,会沉淀为两种可能的状态之一。"自旋上升 "或"自旋下降"。但因为它是一个量子属性,在测量之前,电子的自旋是两种可能性的叠加。

"如果你把电子的自旋想象成一根在球体内部旋转的针,它可能指向任何方向,"麻省理工学院的博士后姚晓军(Xiaojun Yao)说。"当进行测量时,它将会是自旋向上或自旋向下,但重要的是在我们进行测量之前发生的事情。我们可以获得一些优势。"

每个量子位(qubit)(即一个比特的量子等价物)的行为就像是一个微观概率微调器,可以通过计算机的编程进行调谐和控制。调谐(用复数表示)取代了经典比特的二进制'1或0'表示法。

姚说:“实际上,一个量子位不可能比经典位更强大。”“但是,多个量子位可能比多个经典位更强大。从理论上讲,少量的量子位可以存储大量信息。”

这种从二进制到非二进制的转换极大地提高了量子计算机执行多面计算的能力。“这是指数级的,”伯克利实验室的博士后费利克斯·林格(Felix Ringer)说。“在量子计算机上使用n个量子位进行计算,在标准计算机上将需要2n个经典位。”

尽管量子计算机在诸如键入文本消息或流视频之类的简单任务上几乎没有优势,但是对于某些类型的复杂计算的影响却是巨大的。

林格说:“我们可以使用量子计算机内部发生的量子过程来模拟实验内部发生的量子过程。”“最终,我们可以使用量子计算机来解决我们对世界的理论理解中的重大悬而未决的问题。”

当今的量子计算机仍处于起步阶段,缺乏经典计算机的复杂性和可靠性。但是穆里根、姚晓军和林格希望在技术成熟时做好准备。

最近,他们在美国能源部科学办公室和伯克利实验室的资助下,进行了原理验证研究,研究了重粒子穿过夸克-胶子等离子体后如何影响重粒子的性质。夸克胶子等离子体是已知的最热和最稠密的物质状态,例如在美国能源部布鲁克黑文国家实验室的相对论者重离子对撞机和欧洲核子研究组织的大型强子对撞机内部产生的。科学家团队在IBM制造的真实量子计算机和配置为模仿量子计算机的经典计算机上运行了仿真。

“这比我预想的要困难一点,”姚晓军说。“当前的量子机器是嘈杂的,您必须应用错误缓解措施来消除噪声并获得有意义的结果。”

经过几个月的磨练代码并测试了结果,他们能够证明在当今的量子计算机上这种计算已经可行。

林格说,“现在开始探索这些技术是很重要的,粒子物理界甚至可以通过提出下一代机器可以解决的有趣问题,对量子计算的发展产生影响。会有很多合作和创新的机会。

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