2024 年 3 月 20日

 

• 數位量子模擬可用於解決固態研究中的問題，例如導電性、磁性或超導電性。
• 先決條件是一台能夠進行模擬的量子電腦。
• DLR 軟體技術研究所的初級教授 Benedikt Fauseweh 分析了用例。
• 重點領域：數位化、量子技術、量子運算、量子優勢、基礎研究

 

所有物體都是由原子組成的，原子是由電子以及原子核中的質子和中子組成的。一旦你到達這個最小的世界——量子——事情很快就會變得非常複雜。當研究人員想要確切地了解原子如何連接並形成固體物體時，他們遇到了限制：當涉及許多不同的原子時，沒有電腦足夠強大來準確計算材料屬性。德國航空航天中心（DLR）的一位科學家現在分析了一種實現這一目標的方法：數位量子模擬。這需要一台原本只有幾個功能計算和儲存單元的量子電腦。這台量子計算機已經可以回答材料研究的問題。最終甚至提高自己。

「與僅透過增加運算能力就能解決的問題相比，量子系統的複雜性超出了當今所有組合超級電腦的能力。這意味著我們無法找到量子世界現象的解釋。其中包括導電性、磁性和超導電性。」德國航太中心軟體技術研究所的初級教授 Benedikt Fauseweh 說。「量子物理學是理解我們世界的基礎，尤其是在固態物理學中。」在固體中，原子或分子距離非常近，幾乎無法移動。金屬、半導體、陶瓷和許多塑膠都是固體。

 

1982 年的遠見卓識－但量子電腦仍然會犯錯

在量子電腦上模擬量子現象的概念已有 40 多年的歷史。1982年，美國物理學家理查德·費曼（Richard Feynman，1918年至1988年）提出利用量子力學本身的原理來模擬量子系統的行為。「現代量子電腦的發展使費曼的遠見卓識更接近實現。當然，描述自然界的全部複雜性仍然是所有物理學家的夢想。」Benedikt Fausweh 說。但還沒有那麼遠：量子電腦（仍然）在複雜的計算中會犯錯誤，因為它們的量子位元（計算和儲存單元）不穩定或無法控制。那麼結果就是錯誤的。科學家正在尋找在量子電腦上仍然運行複雜模擬的方法。

 

不需要大量的量子位

Benedikt Fauseweh 現在在科學期刊《自然通訊》中描述了這一點，並納入了全球研究成果。他的分析表明，計算複雜的量子系統不一定需要大量的量子位元：「如果我們使用太多的量子位元，由於量子電腦中的錯誤，結果將不再可用，」Benedikt Fauseweh 解釋道。「我們必須準確地識別那些即使量子電腦存在錯誤仍能提供正確結果的應用程式。」因此品質重於數量。數位量子模擬很快就能解決固態研究中的難題：為什麼許多粒子之間的相互作用會阻止它們在固體中的移動？那麼，為什麼某些材料在磁場中沒有如預期升溫呢？當材料受到雷射轟擊時，其特性如何改變？“同樣令人興奮的是，我們可以在材料研究中使用量子計算機來使量子計算機本身變得更好。”

量子電腦的不同技術肯定是相輔相成的。例如，光子量子電腦或具有中性原子的量子電腦將特別適合某些應用。帶有離子陷阱的量子計算機，鑽石或其他固態中的氮空位為其他人自旋。這些硬體技術正在DLR 量子計算計劃 (DLR QCI)中開發 。

 

模擬模擬有其局限性

近幾十年來，研究人員利用了模擬量子模擬。他們使用量子平台來取代實際系統。調整替換量子平台的行為，使其與所研究的系統的行為相對應。至少這使得模擬已經失敗的超級電腦的量子系統成為可能——並且量子優越性變得可見。模擬量子模擬是迄今為止的典型方法。「但它的缺點是這些機器不靈活。你只能進行一種類型的模擬，」Benedikt Fausweh 說。「數位量子電腦的通用性——這就是我們想要的。這是我們期望不同方法所帶來的最重要的優勢。”

 

[照片]

(A) 固體的晶格（符號圖像）

當研究人員想要確切地了解原子如何連接並形成固體物體時，他們遇到了限制。數位量子模擬很快就能解決固態研究中的難題

(B) 目標：改良材料

量子電腦可以模擬即使是最好的超級電腦也無法計算的固態結構。透過這種方式，您可以幫助改進光伏系統等高科技應用的材料。