量子模擬器

量子世界的規律與我們習以為常的經典規律是完全不一樣的。在過去的一百多年里，隨著實驗技術的發展，這一點在實驗室中得到反復驗證。由于量子疊加的存在，量子世界顯得比經典世界更加豐富且難以刻畫。美國物理學家費曼在三十多年前就指出，用經典的計算機來描述刻畫量子多體系統有著根本性的困難：隨著量子系統中粒子的增加，用來刻畫系統的經典計算所需的資源會呈指數增長。費曼也富有前瞻性地提出，一種可能的解決方案是利用所謂的量子模擬器。量子模擬器遵循量子力學規律，所以它消耗的資源隨系統粒子數的增加只是多項式型的增長。隨著實驗技術的發展，今天，費曼的想法也許即將變成現實。

一般說來量子模擬器所要解決的問題都與描述多體系統的量子態的時間演化相關，比如通過實時演化來考察體系的動力學過程，或者通過虛時演化求解物理模型的基態等等。針對這些應用，量子模擬器大概可以分成兩種：數字式的和模擬式的。顧名思義，數字式的模擬把系統的時間演化過程離散化成很多很短的時間段。在每一個離散的時段內，系統的演化過程都能用簡單的模型近似描述。換句話說，這相當于把系統的時間演化近似成一系列簡單的量子門操作，而不同系統的特性就體現在量子門操作的選擇上。事實上，這也正是當初費曼所構想的量子模擬器。而另一種更現實、要求更低的可能性是所謂的模擬式的量子模擬器。在這樣的量子模擬器中，我們不需要把系統的時間演化抽象成一系列離散的操作，而只需要在某個具體的物理系統中實現與所要研究的多體模型對應的物理過程就可以了。基于當前的實驗技術發展，這樣的物理系統可以是超冷原子氣體，束縛在勢場中的離子，超導電路QED等等。顯然，這兩種量子模擬器都還不足以被稱為量子計算機，但它們在處理很多特定的問題時，應該會比經典的計算機更有效率。

正如zoller和cirac指出的一樣，一個合格的量子模擬器應該能夠具有如下幾個要素。首先，模擬器的主體應該是一個遵循量子力學原理的量子系統。其次，量子模擬器應該能夠實現初態的制備和時間演化過程中參數的自由調控。同時，在演化結束后，我們應該能夠通過對量子系統末態性質的測量讀出我們想要的結果。這幾點是對實現量子模擬器的物理系統的約束。最后，我們應該有方法對量子模擬器的計算結果進行驗證。這幾點里面，也許最后一點是最重要同時也是最難的。正像我們之前提到的，我們希望量子模擬器能夠提供經典計算機所不能提供的信息。所以，通過經典計算來驗證量子模擬器的結果是不現實的。但正如科學自身發展的規律一樣，我們原則上不可能證明某個科學規律是百分之百正確的。我們所能做的只是通過實驗觀測反復驗證它在各種參數下的適用性。所以，原則上，量子模擬器的結果可以通過基于不同量子系統，甚至不同類型的模擬器的反復驗證來加以檢驗。

當前，量子模擬已經成為物理學中最熱門的方向之一，各種理論方案和實驗系統層出不窮。在某種程度上，小規模的量子模擬已經成為現實。當然，這樣的系統仍然可以通過經典計算機來模擬，這些實驗嘗試則可以看成更復雜的量子模擬器的雛形。也許在不久的將來，我們就會見到真正超越了經典計算機的量子模擬器，這是通往量子計算機的更為漫長的征程上的必經之路。