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量子模拟器提供了对复杂量子系统动态的深刻见解

2022-05-17 07:55 · 稿源: cnbeta

乍一看,一个由51个离子组成的系统可能看起来很容易管理。但即使这些带电原子只是在两种状态之间来回切换,其结果是系统可以采取超过两万亿(1015)种不同的排序。这样一个系统的行为实际上是不可能用常规计算机计算的,特别是由于引入系统的激发可以无规律地传播。

这种运动的一个特点是,除了预期的较小的跳跃外,有时也会发生明显较大的跳跃。这种现象也可以在蜜蜂的飞行和股票市场上不寻常的激烈运动中观察到。

模拟量动力学:传统上是一项困难的任务

虽然模拟一个复杂的量子系统的动力学即使对传统的超级计算机来说也是一个非常高的要求,但对于量子模拟器来说这个任务是小儿科。不过如果没有能力进行同样的计算,怎么才能验证量子模拟器的结果呢?

对量子系统的观察表明,至少有可能用类似Bernoulli兄弟在18世纪开发的描述流体行为的方程来表示这种系统的长期行为。

为了测试这一假设,研究人员使用了一个模拟量子磁体动力学的量子系统。他们能用它来证明,在一个由量子力学效应主导的初始阶段之后,该系统实际上可以用流体力学中熟悉的那种方程来描述。

此外他们还发现,描述蜜蜂搜索策略的莱维飞行(Lévy Flight)统计学也适用于量子系统的流体动力学过程。

将捕获的离子作为受控量子模拟的平台

量子模拟器是在因斯布鲁克大学校区的奥地利科学院量子光学和量子信息研究所(IQOQI)建造的。“我们的系统通过使用离子的两个能级代表分子磁体的南北极有效地模拟了一个量子磁体,”IQOQI因斯布鲁克科学家Manoj Joshi说道。

“我们最大的技术进步是,我们成功地单独解决了51个离子中的每一个,”Manoj Joshi表示,“因此,我们能研究任何所需数量的初始状态的动力学,这对于说明流体动力学的出现是必要的。”

“虽然目前量子比特的数量和量子状态的稳定性非常有限,但有些问题我们已经可以利用今天量子模拟器的巨大计算能力,”来自慕尼黑工业大学集体量子动力学教授Michael Knap说道,“在不久的将来,量子模拟器和量子计算机将成为研究复杂量子系统动力学的理想平台。现在我们知道,在某个时间点之后,这些系统遵循经典的流体动力学规律。任何强烈的偏离都表明模拟器没有正常工作。”

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