<p>在單個原子的尺度上，物理學(xué)變得很奇怪。研究人員正在努力揭示、利用和控制這些奇怪的量子效應(yīng)，使用量子模擬模擬器&mdash;&mdash;實驗室實驗，包括過冷數(shù)十到數(shù)百個原子，并用微調(diào)激光器和磁鐵探測它們。</p> <p>&nbsp;</p> <p>科學(xué)家們希望，從量子模擬器中獲得的任何新認識，都將為設(shè)計新的奇異材料、更智能、更高效的電子產(chǎn)品以及實用的量子計算機提供藍圖。但為了從量子模擬器中獲得真知灼見，科學(xué)家們首先必須信任它們。</p> <p>&nbsp;</p> <p>也就是說，他們必須確保他們的量子設(shè)備具有&ldquo;高保真度&rdquo;，并準確地反映量子行為。例如，如果一個原子系統(tǒng)很容易受到外部噪聲的影響，研究人員可以假設(shè)存在不存在的量子效應(yīng)。但直到現(xiàn)在，還沒有可靠的方法來表征量子模擬模擬器的保真度。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在今天發(fā)表在《自然》雜志上的一項研究中，麻省理工學(xué)院和加州理工學(xué)院的物理學(xué)家報告了一種新的量子現(xiàn)象:他們發(fā)現(xiàn)原子的量子漲落存在一定的隨機性，這種隨機行為表現(xiàn)出一種普遍的、可預(yù)測的模式。既隨機又可預(yù)測的行為聽起來可能有點矛盾。但該團隊證實，某些隨機波動確實可以遵循可預(yù)測的統(tǒng)計模式。</p> <p>&nbsp;</p> <p>更重要的是，研究人員已經(jīng)使用這種量子隨機性作為工具來表征量子模擬模擬器的保真度。他們通過理論和實驗證明，他們可以通過分析量子模擬器的隨機波動來確定其精度。</p> <p>&nbsp;</p> <p>該團隊開發(fā)了一種新的基準測試協(xié)議，可以應(yīng)用于現(xiàn)有的量子模擬模擬器，根據(jù)它們的量子波動模式來衡量它們的保真度。該協(xié)議可以幫助加速新型奇異材料和量子計算系統(tǒng)的開發(fā)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;這項工作將允許以非常高的精度描述許多現(xiàn)有的量子設(shè)備，&rdquo;該研究的合著者、麻省理工學(xué)院物理學(xué)助理教授Soonwon Choi說。&ldquo;這也表明，在混沌量子系統(tǒng)的隨機性背后，存在著比我們之前所認為的更深層次的理論結(jié)構(gòu)。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>這項研究的作者包括麻省理工學(xué)院的研究生丹尼爾&middot;馬克，以及加州理工學(xué)院、伊利諾伊大學(xué)香檳分校、哈佛大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校的合作者。</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>隨機進化</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>這項新研究的動力來自于谷歌在2019年的一項進展，該公司的研究人員建造了一臺被稱為&ldquo;梧桐&rdquo;的數(shù)字量子計算機，它可以比傳統(tǒng)計算機更快地進行特定計算。</p> <p>&nbsp;</p> <p>經(jīng)典計算機中的計算單元是以0或1的形式存在的&ldquo;位&rdquo;，而量子計算機中的單位，被稱為&ldquo;量子位&rdquo;，可以以多種狀態(tài)的疊加形式存在。當多個量子比特相互作用時，理論上它們可以運行特殊的算法，在比任何經(jīng)典計算機都短得多的時間內(nèi)解決難題。</p> <p>&nbsp;</p> <p>谷歌的研究人員設(shè)計了一個超導(dǎo)回路系統(tǒng)，使其表現(xiàn)為53個量子比特，并表明&ldquo;計算機&rdquo;可以執(zhí)行特定的計算，通常情況下，即使是世界上最快的超級計算機也難以解決這個問題。</p> <p>&nbsp;</p> <p>谷歌也恰好表明它可以量化系統(tǒng)的保真度。通過隨機改變單個量子比特的狀態(tài)，并將所有53個量子比特的結(jié)果狀態(tài)與量子力學(xué)原理的預(yù)測進行比較，他們能夠測量系統(tǒng)的準確性。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Choi和他的同事想知道他們是否可以使用類似的隨機方法來衡量量子模擬模擬器的保真度。但他們必須克服一個障礙:與谷歌的數(shù)字量子系統(tǒng)不同，模擬模擬器中的單個原子和其他量子比特難以操縱，因此難以隨機控制。</p> <p>&nbsp;</p> <p>但通過一些理論建模，Choi意識到，在谷歌的系統(tǒng)中單獨操縱量子位的集體效應(yīng)可以在模擬量子模擬器中再現(xiàn)，只需讓量子位自然進化。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們發(fā)現(xiàn)，我們不需要設(shè)計這種隨機行為，&rdquo;崔說。&ldquo;在沒有微調(diào)的情況下，我們可以讓量子模擬器的自然動力學(xué)進化，結(jié)果將導(dǎo)致由于混沌而產(chǎn)生類似的隨機模式。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>建立信任</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>作為一個極其簡單的例子，想象一個由五個量子比特組成的系統(tǒng)。每個量子位可以同時以0或1的形式存在，直到進行測量，然后量子位就會進入一種或另一種狀態(tài)。對于任何一次測量，量子位都可以采用32種不同的組合之一:0-0-0-0-0,0-0-0-1，等等。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Choi解釋說:&ldquo;這32種構(gòu)型將以一定的概率分布出現(xiàn)，人們認為這應(yīng)該與統(tǒng)計物理學(xué)的預(yù)測相似。&rdquo;&ldquo;我們發(fā)現(xiàn)它們平均上是一致的，但有些偏差和波動表現(xiàn)出一種我們不知道的普遍隨機性。這種隨機性看起來就像你運行谷歌所做的那些隨機操作一樣。&rdquo;</p> <p>研究人員假設(shè)，如果他們能夠開發(fā)一種數(shù)值模擬，精確地代表量子模擬器的動力學(xué)和普遍隨機波動，他們就可以將預(yù)測結(jié)果與模擬器的實際結(jié)果進行比較。兩者越接近，量子模擬器就必須越精確。</p> <p>&nbsp;</p> <p>為了驗證這一想法，Choi與加州理工學(xué)院的實驗人員合作，設(shè)計了一個包含25個原子的量子模擬模擬器。物理學(xué)家在實驗中使用激光來集體激發(fā)原子，然后讓量子比特自然地相互作用并隨著時間的推移而進化。他們在多次運行中測量了每個量子比特的狀態(tài)，總共收集了10,000個測量值。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Choi和他的同事們還開發(fā)了一個數(shù)值模型來代表實驗的量子動力學(xué)，并結(jié)合了一個他們推導(dǎo)出來的方程來預(yù)測應(yīng)該出現(xiàn)的普遍的隨機波動。然后，研究人員將他們的實驗測量結(jié)果與模型的預(yù)測結(jié)果進行了比較，并觀察到非常接近的匹配&mdash;&mdash;強有力的證據(jù)表明，這個特定的模擬器可以被信任，反映了純粹的量子力學(xué)行為。</p> <p>&nbsp;</p> <p>更廣泛地說，結(jié)果證明了一種新的方法來描述幾乎任何現(xiàn)有的量子模擬模擬器。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Choi說:&ldquo;表征量子設(shè)備的能力形成了一個非?；镜募夹g(shù)工具，可以構(gòu)建越來越大、更精確和復(fù)雜的量子系統(tǒng)。&rdquo;&ldquo;通過我們的工具，人們可以知道他們使用的系統(tǒng)是否值得信賴。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>這項研究得到了美國國家科學(xué)基金會、國防高級研究計劃局、陸軍研究辦公室和能源部的部分資助。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點。</p> </blockquote>