驱动耗散量子电路。图片来源：Nature Physics （2023）。DOI： 10.1038/s41567-023-02199-w
研究人员在能源部橡树岭国家实验室的量子计算用户计划（QCUP）的支持下，以最大的尺度模拟了一个关键的量子态。
该团队使用的技术可以帮助开发下一代量子计算机的量子模拟能力。
该研究使用Quantinuum的H1-1计算机对经典数学模型的量子版本进行建模，该模型跟踪疾病的传播方式。计算机上的时间由QCUP提供，QCUP是橡树岭领导计算设施的一部分，该设施为全国各地的私人量子处理器提供时间，以支持研究项目。
该模型使用量子比特或量子比特来模拟活动状态（如感染）和非活动状态（如死亡或恢复）之间的过渡。
“这项研究的目标是致力于在量子计算机上构建功能，以解决这个问题以及其他在传统计算机上难以计算的类似问题，”该研究的合著者、温哥华不列颠哥伦比亚大学物理学助理教授安德鲁·波特说。
“这个实验模拟了试图将量子系统引向特定状态，同时与远离该状态的量子涨落竞争。有一个过渡点，这些竞争效应完全平衡。这一点将转向成功和失败的阶段分开。
系统离平衡越远，由于方程的大小和复杂性，模型的经典版本就越有可能崩溃。研究小组试图使用量子计算来模拟这些动态。
经典计算机以等于 0 或 1 的位存储信息。换句话说，经典位，如电灯开关，以两种状态之一存在：打开或关闭。这种二元动态不一定适合建模过渡状态，例如疾病模型中研究的过渡状态。
量子计算使用量子力学定律将信息存储在量子比特中，量子比特相当于量子比特。量子比特可以通过量子叠加同时以多种状态存在，这使得量子比特能够携带比经典比特更多的信息。
在量子叠加态中，一个量子比特可以同时存在于两种状态，类似于旋转的硬币——硬币既没有正面也没有反面，量子比特既没有频率也没有另一个频率。测量量子比特的值决定了测量两个可能值中的任何一个的概率，类似于将硬币停在正面或反面。这种动态允许更广泛的可能值，可用于研究过渡状态等复杂问题。
“这项研究的目标是致力于在量子计算机上构建功能，以解决这个问题以及其他在传统计算机上难以计算的类似问题，”该研究的合著者、温哥华不列颠哥伦比亚大学物理学助理教授安德鲁·波特说。
“这个实验模拟了试图将量子系统引向特定状态，同时与远离该状态的量子涨落竞争。有一个过渡点，这些竞争效应完全平衡。这一点将转向成功和失败的阶段分开。
系统离平衡越远，由于方程的大小和复杂性，模型的经典版本就越有可能崩溃。研究小组试图使用量子计算来模拟这些动态。
经典计算机以等于 0 或 1 的位存储信息。换句话说，经典位，如电灯开关，以两种状态之一存在：打开或关闭。这种二元动态不一定适合建模过渡状态，例如疾病模型中研究的过渡状态。
量子计算使用量子力学定律将信息存储在量子比特中，量子比特相当于量子比特。量子比特可以通过量子叠加同时以多种状态存在，这使得量子比特能够携带比经典比特更多的信息。
在量子叠加态中，一个量子比特可以同时存在于两种状态，类似于旋转的硬币——硬币既没有正面也没有反面，量子比特既没有频率也没有另一个频率。测量量子比特的值决定了测量两个可能值中的任何一个的概率，类似于将硬币停在正面或反面。这种动态允许更广泛的可能值，可用于研究过渡状态等复杂问题。
研究人员希望这些可能性将推动一场量子革命，使量子计算机在速度和功率上超越经典机器。然而，当前量子机器使用的量子比特往往很容易退化。这种衰减会导致高错误率，这可能会混淆任何大于测试问题的模型的结果。
Potter和他的同事通过Quantinuum计算机上的QCUP获得了时间，该计算机使用捕获的离子作为量子比特。他们在整个运行过程中测量了电路或量子门，并使用了一种称为量子比特回收的技术来消除退化的量子比特。
“我们使用量子处理器来模拟一个系统，其中活跃的量子比特能够激活相邻的量子比特或变得不活跃，”波特说。“通过在每一步实时监控系统并在我们进行测试时进行测试，我们可以检测在量子比特上执行量子门可能影响量子比特状态的可能性，如果没有，则将其从计算中删除。这样，我们就避免了错误悄悄出现的机会。
该团队确定，他们可以在20个量子比特上使用他们的方法来控制错误，并模拟一个几乎是这个大小四倍的量子系统。他们估计，在70个量子比特下，他们的方法可能等于或超过经典计算机的能力。
“这是这种方法第一次用于这种规模的系统，”波特说。
接下来的步骤包括将量子比特回收应用于量子问题，例如模拟材料的特性并计算它们的最低能态或量子基态。
该论文发表在《自然物理学》杂志上。
更多信息：Eli Chertkov 等人，在量子计算机上表征非平衡相变，Nature Physics （2023）。DOI： 10.1038/s41567-023-02199-w
期刊信息： Nature Physics