量子云计算与自我检查 实现强大的量子模拟

随着云中的量子协处理器，来自奥地利因斯布鲁克的物理学家打开了模拟以前无法解决的化学，材料研究或高能物理问题的大门。由Rainer Blatt和Peter Zoller领导的研究小组在“自然”杂志上报道了他们如何在20个量子比特上模拟粒子物理现象以及量子模拟器如何首次自我验证结果。

许多科学家目前正在研究如何在现有的硬件上利用量子优势。三年前，物理学家首先在因斯布鲁克大学用数字量子计算机模拟了一对基本粒子的自发形成。然而，由于错误率，更复杂的模拟将需要大量的量子比特，这些量子比特在当今的量子计算机中尚不可用。量子计算机中量子系统的模拟仿真也有很小的局限性。使用一种新方法，奥地利科学院量子光学和量子信息研究所(IQOQI)的Christian Kokail，Christine Maier和Rick van Bijnen的研究人员现已超越了这些限制。他们使用具有20个量子比特的可编程离子阱量子计算机作为量子协处理器，其中达到经典计算机极限的量子力学计算被外包。“我们使用这两种技术的最佳特性，”实验物理学家Christine Maier解释说。“量子模拟器接管了计算复杂的量子问题，经典计算机解决了剩下的任务。”

量子建模器工具箱

科学家们使用理论物理学中已知的变分方法，但将其应用于量子实验。“这种方法的优势在于我们可以使用量子模拟器作为一种独立于调查问题的量子资源，”Rick van Bijnen解释道。“通过这种方式，我们可以模拟更复杂的问题。”一个简单的比较显示了不同之处：模拟量子模拟器就像一个娃娃的房子，它代表了现实。另一方面，可编程变分量子模拟器提供了可以构建许多不同房屋的独立构建块。在量子模拟器中，这些构建块是纠缠门和单旋转。使用经典计算机，这组旋钮被调整，直到达到预期的量子状态。为此，物理学家开发了一种复杂的优化算法，经典计算机在大约100,000个量子协处理器的请求中产生了结果。再加上量子实验的极快测量周期，IQOQI因斯布鲁克的模拟器变得非常强大。物理学家第一次在20个量子比特的真空中模拟了基本粒子对的自发产生和破坏。由于新方法非常有效，它也可以用于更大的量子模拟器。因斯布鲁克的研究人员计划在不久的将来建造一个多达50个离子的量子模拟器。这为进一步研究固态模型和高能物理问题开辟了有趣的视角。

内置自检功能

复杂量子模拟中先前未解决的问题是验证模拟结果。“这些计算很难或根本不能使用经典计算机进行检查。因此，我们如何检查量子系统是否能提供正确的结果，”理论物理学家Christian Kokail问道。“我们首次通过在量子系统中进行额外测量来解决这个问题。基于结果，量子机器评估了模拟的质量，”Kokail解释道。这种验证机制是更复杂的量子模拟的先决条件，因为必要数量的量子比特急剧增加。“我们仍然可以在经典计算机上测试20个量子比特的模拟，但是通过更复杂的模拟，这已经不再可能了，”Rick van Bijnen说。“在我们的研究中，量子实验甚至比PC上的对照模拟更快。最后，为了不减慢实验，我们不得不把它从竞赛中拿走，”物理学家说。

因斯布鲁克量子云

该研究成果基于因斯布鲁克量子研究中心实验与理论的独特合作。多年实验量子研究的专业知识符合奥地利蒂罗尔州的创新理论思想。总之，这导致了全球公认的结果，并确立了因斯布鲁克量子研究的国际领先地位。实验物理学家Rainer Blatt强调说：“这项实验已经进行了15年的艰苦努力。”“很高兴看到现在这种果实如此美丽。”理论物理学家彼得佐尔勒补充说：“我们在因斯布鲁克不仅是可用量子位数的领导者，但现在也已经进入可编程量子模拟领域，并且能够首次展示量子处理器的自我验证。通过这种新方法，我们可以将日常量子问题的模拟带到触手可及的范围内。“

目前在“自然”杂志上发表的着作得到了奥地利科学基金会FWF和欧盟等机构的资助。

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