谷歌科學家:量子模擬突破，超算無法企及的發現

谷歌的科學家們揭示了一種新的“量子模擬”方法，該方法利用計算能力來模擬強大量子系統的行爲。他們認爲，這種方法可能會讓量子計算機在五年內超過超級計算機，並在藥物研發和電池開發方面取得突破。

量子模擬是計算機模擬物理過程和大型量子系統（如複雜分子）的過程。從本質上講，工程師們模擬的是由量子物理效應主導的物理過程。

但這對於傳統計算機來說很難做到，因爲必須對每個粒子與其他粒子的相互作用進行建模。由於亞原子粒子有可能同時處於多種狀態，並且可能相互糾纏，所以隨着所涉及粒子數量的增加，這些計算的複雜性會迅速飆升。

相反，科學家們正在轉向量子計算機（其行爲已經受量子力學定律支配）來解決這些問題。因爲量子物理學是這些系統工作方式的內在要素。如果量子比特以正確的方式糾纏或連接在一起，它們就能夠模擬更大的量子系統，而不必明確計算系統演化的每一步。

這就是“量子模擬”發揮作用的地方。量子模擬有兩種類型。數字模擬讓研究人員通過連續地糾纏和解糾纏不同的量子比特配對（兩個糾纏的量子比特）來有選擇地在量子態之間轉換。與此同時，模擬仿真速度要快得多。這涉及到一次性使一個系統中的所有量子比特糾纏在一起——但由於量子比特可能容易出錯，這就增加了模擬輸出變成無意義噪聲的風險。

2月5日發表在《自然》（Nature）雜誌上的一項研究概述了量子模擬的新方法，該方法通過將數字模擬和模擬仿真融合爲一種多階段的單一方法，充分利用了這兩種選擇。

這種“混合”方法始於數字模擬層，科學家在此利用系統的靈活性來準備每個量子比特對的初始量子態——選擇最相關的起始位置。接下來，該過程轉換爲模擬仿真，它可以朝着科學家想要研究的特定量子態演化。

最後，該過程再轉換回數字模擬，以微調並探測量子態，從而解決所模擬的物理現象中最有趣的問題。

谷歌量子人工智能（Google Quantum AI）的創始人兼負責人哈特穆特·內文（Hartmut Neven）在一份電子郵件聲明中表示，這項新研究意味着，在未來五年內，量子計算機在實際應用場景中可能會超越傳統超級計算機。時間預估差異很大，一些人認爲這可能要到20年後才能實現，也有人認爲在接下來的幾年內就能達成。

科學家們已經證明，谷歌的量子計算芯片，包括“懸鈴木”（Sycamore）和新發布的“柳樹”（Willow），能夠超越最強大的超級計算機——但到目前爲止，僅僅是在基準測試方面。科學家們表示，要在實際場景中佔據優勢，他們必須在校準和控制精度方面進一步改進，同時改進硬件。他們還需要確定既能通過量子模擬解決，又因過於複雜而無法用傳統計算機解決的問題。

然而，新的混合研究使當今的量子計算機能夠提升最快的超級計算機的性能。這種混合方法已被用於取得新的科學發現，谷歌科學家在測試新方法時就取得了這樣的成果。例如，在磁體的行爲方面，谷歌科學家探究了磁體在被冷卻到極低溫度時的行爲方式，以及能量如何從熱的部分流向冷的部分等問題。

這種混合方法還被用於表明基布爾 - 祖雷克機制（KZM）——一種被廣泛認可的預測材料中缺陷形成位置的模型——並不總是正確的。相反，新的混合模擬揭示了全新的物理學現象。科學家們表示，這是混合方法量子模擬能夠達成的發現類型的一個例子。