D-Wave 量子退火機在光刻芯片上使用數千個超導通量量子比特，懸浮在接近絕對零度的環境中。圖片來源：網絡
在處理一些複雜的任務時，量子計算機比經典計算機更具優勢，但在充分發揮其潛力前，還需要克服許多挑戰。物理學家和計算機科學家一直試圖如實評估量子計算技術在不久的將來所擁有的實力。
量子模擬，即使用可編程模擬設備實現的量子系統，已被證明對於判斷量子計算機的實用潛力特別有價值。可以使用量子模擬研究的一種方法是量子退火，這是一種基於工程量子漲落的優化過程。
D-Wave以及加拿大、美國和日本的研究人員最近在可編程的2,000量子比特一維伊辛模型中模擬了量子相變。他們的實驗結果發表在《Nature Physics》，為未來的量子優化和模擬工作提供了重要價值。
實驗研究人員之一Andrew D. King說：「相干退火是我們長期以來一直想要展示的東西。它使我們能將可編程量子系統的行為與理想的薛定諤動力學進行比較，提供了強有力的量子性證據與基準。對於經典方法通常無法解決的任務，一維鏈非常適合，因為它具有眾所周知的閉合式解決方案，這意味着我們可以用經典方式解決，而無需詳細模擬量子動力學。」
一維伊辛鏈的量子模擬之前已經由哈佛大學及其他研究團隊完成。然而，King和他的同事進行的模擬是首次使用基於退火的量子計算機進行的。此外，研究人員能夠實現更大、更強烈的相關狀態。
模擬從量子順磁疊加態開始，並以不同的速度穿過量子相變。隨着系統響應時間的增長，在向上或向下旋轉的相反域之間形成「扭結」。這些扭結的密度和間距顯示了量子臨界動力學的特徵。（圖片來源：網絡）
King解釋說：「我們實驗中的關鍵變量是退火時間，這是D-Wave處理器從其初始量子疊加態到計算的經典端點所需的時間。通常，系統會設置500納秒的速度限制，以允許控制電路上的容差。然而，在這項工作中，我們的速度比這快了100倍。」
由於他們的系統達到了更高的速度，King和他的同事們對硬件的要求會更加嚴格，並且要使用新的軟件方法。最終使他們能完美地同步系統中的數千個量子比特。
研究人員使用D-Wave系統創建的高度可編程處理器進行了模擬。為了更可靠地測試其有效性，他們選擇模擬一個極其簡單且易於理解的量子相變。
King說：「我們在實驗中和沒有環境影響的理想量子模型之間看到了高度一致性，這是量子退火領域的新發展。它不僅證明了該系統屬於量子水平，而且我們可以將更複雜的系統編程到量子退火器中，它將遵循薛定諤方程的真實量子動力學，這通常不能被經典模擬。」
總之，該團隊發現他們的模擬與量子理論的預測一致。在未來，他們的工作可以為研究不同的量子相變開闢新成果。在接下來的工作中，King和他的同事們希望使用可編程D-Wave處理器來模擬更多奇特的量子相變，這是使用經典計算機無法模擬的。
King 補充說：「大多數人希望將量子退火用於量子模擬，或者用於優化。我們在這項工作中研究的教科書式量子相變僅間接適用於優化，因此將這兩個領域聯繫在一起很重要。我們已經知道量子退火器可以非常快速地解決優化問題。我們的下一項研究重點將是相干退火，以詳細解釋量子臨界動力學在量子退火優化中的作用。」
文章參考鏈接：
https://phys.org/news/2022-10-coherent-simulation-quantum-phase-transition.html
編譯：卉可
編輯：慕一
