驅動耗散量子電路。圖檔來源：Nature Physics （2023）。DOI： 10.1038/s41567-023-02199-w
研究人員在能源部橡樹嶺國家實驗室的量子計算使用者計劃（QCUP）的支援下，以最大的尺度模拟了一個關鍵的量子态。
該團隊使用的技術可以幫助開發下一代量子計算機的量子模拟能力。
該研究使用Quantinuum的H1-1計算機對經典數學模型的量子版本進行模組化，該模型跟蹤疾病的傳播方式。計算機上的時間由QCUP提供，QCUP是橡樹嶺上司計算設施的一部分，該設施為全國各地的私人量子處理器提供時間，以支援研究項目。
該模型使用量子比特或量子比特來模拟活動狀态（如感染）和非活動狀态（如死亡或恢複）之間的過渡。
“這項研究的目标是緻力于在量子計算機上建構功能，以解決這個問題以及其他在傳統計算機上難以計算的類似問題，”該研究的合著者、溫哥華不列颠哥倫比亞大學實體學助理教授安德魯·波特說。
“這個實驗模拟了試圖将量子系統引向特定狀态，同時與遠離該狀态的量子漲落競争。有一個過渡點，這些競争效應完全平衡。這一點将轉向成功和失敗的階段分開。
系統離平衡越遠，由于方程的大小和複雜性，模型的經典版本就越有可能崩潰。研究小組試圖使用量子計算來模拟這些動态。
經典計算機以等于 0 或 1 的位存儲資訊。換句話說，經典位，如電燈開關，以兩種狀态之一存在：打開或關閉。這種二進制動态不一定适合模組化過渡狀态，例如疾病模型中研究的過渡狀态。
量子計算使用量子力學定律将資訊存儲在量子比特中，量子比特相當于量子比特。量子比特可以通過量子疊加同時以多種狀态存在，這使得量子比特能夠攜帶比經典比特更多的資訊。
在量子疊加态中，一個量子比特可以同時存在于兩種狀态，類似于旋轉的硬币——硬币既沒有正面也沒有反面，量子比特既沒有頻率也沒有另一個頻率。測量量子比特的值決定了測量兩個可能值中的任何一個的機率，類似于将硬币停在正面或反面。這種動态允許更廣泛的可能值，可用于研究過渡狀态等複雜問題。
“這項研究的目标是緻力于在量子計算機上建構功能，以解決這個問題以及其他在傳統計算機上難以計算的類似問題，”該研究的合著者、溫哥華不列颠哥倫比亞大學實體學助理教授安德魯·波特說。
“這個實驗模拟了試圖将量子系統引向特定狀态，同時與遠離該狀态的量子漲落競争。有一個過渡點，這些競争效應完全平衡。這一點将轉向成功和失敗的階段分開。
系統離平衡越遠，由于方程的大小和複雜性，模型的經典版本就越有可能崩潰。研究小組試圖使用量子計算來模拟這些動态。
經典計算機以等于 0 或 1 的位存儲資訊。換句話說，經典位，如電燈開關，以兩種狀态之一存在：打開或關閉。這種二進制動态不一定适合模組化過渡狀态，例如疾病模型中研究的過渡狀态。
量子計算使用量子力學定律将資訊存儲在量子比特中，量子比特相當于量子比特。量子比特可以通過量子疊加同時以多種狀态存在，這使得量子比特能夠攜帶比經典比特更多的資訊。
在量子疊加态中，一個量子比特可以同時存在于兩種狀态，類似于旋轉的硬币——硬币既沒有正面也沒有反面，量子比特既沒有頻率也沒有另一個頻率。測量量子比特的值決定了測量兩個可能值中的任何一個的機率，類似于将硬币停在正面或反面。這種動态允許更廣泛的可能值，可用于研究過渡狀态等複雜問題。
研究人員希望這些可能性将推動一場量子革命，使量子計算機在速度和功率上超越經典機器。然而，目前量子機器使用的量子比特往往很容易退化。這種衰減會導緻高錯誤率，這可能會混淆任何大于測試問題的模型的結果。
Potter和他的同僚通過Quantinuum計算機上的QCUP獲得了時間，該計算機使用捕獲的離子作為量子比特。他們在整個運作過程中測量了電路或量子門，并使用了一種稱為量子比特回收的技術來消除退化的量子比特。
“我們使用量子處理器來模拟一個系統，其中活躍的量子比特能夠激活相鄰的量子比特或變得不活躍，”波特說。“通過在每一步實時監控系統并在我們進行測試時進行測試，我們可以檢測在量子比特上執行量子門可能影響量子比特狀态的可能性，如果沒有，則将其從計算中删除。這樣，我們就避免了錯誤悄悄出現的機會。
該團隊确定，他們可以在20個量子比特上使用他們的方法來控制錯誤，并模拟一個幾乎是這個大小四倍的量子系統。他們估計，在70個量子比特下，他們的方法可能等于或超過經典計算機的能力。
“這是這種方法第一次用于這種規模的系統，”波特說。
接下來的步驟包括将量子比特回收應用于量子問題，例如模拟材料的特性并計算它們的最低能态或量子基态。
該論文發表在《自然實體學》雜志上。
更多資訊：Eli Chertkov 等人，在量子計算機上表征非平衡相變，Nature Physics （2023）。DOI： 10.1038/s41567-023-02199-w
期刊資訊： Nature Physics