乍一看，一個(gè)由51個(gè)離子組成的系統(tǒng)可能看起來(lái)很容易管理。但即使這些帶電原子只是在兩種狀態(tài)之間來(lái)回切換，其結(jié)果是系統(tǒng)可以采取超過(guò)兩萬(wàn)億(1015)種不同的排序。這樣一個(gè)系統(tǒng)的行為實(shí)際上是不可能用常規(guī)計(jì)算機(jī)計(jì)算的，特別是由于引入系統(tǒng)的激發(fā)可以無(wú)規(guī)律地傳播。

這種運(yùn)動(dòng)的一個(gè)特點(diǎn)是，除了預(yù)期的較小的跳躍外，有時(shí)也會(huì)發(fā)生明顯較大的跳躍。這種現(xiàn)象也可以在蜜蜂的飛行和股票市場(chǎng)上不尋常的激烈運(yùn)動(dòng)中觀察到。

模擬量子動(dòng)力學(xué)：傳統(tǒng)上是一項(xiàng)困難的任務(wù)

雖然模擬一個(gè)復(fù)雜的量子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)即使對(duì)傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)也是一個(gè)非常高的要求，但對(duì)于量子模擬器來(lái)說(shuō)這個(gè)任務(wù)是小兒科。不過(guò)如果沒(méi)有能力進(jìn)行同樣的計(jì)算，怎么才能驗(yàn)證量子模擬器的結(jié)果呢?

對(duì)量子系統(tǒng)的觀察表明，至少有可能用類(lèi)似Bernoulli兄弟在18世紀(jì)開(kāi)發(fā)的描述流體行為的方程來(lái)表示這種系統(tǒng)的長(zhǎng)期行為。

為了測(cè)試這一假設(shè)，研究人員使用了一個(gè)模擬量子磁體動(dòng)力學(xué)的量子系統(tǒng)。他們能用它來(lái)證明，在一個(gè)由量子力學(xué)效應(yīng)主導(dǎo)的初始階段之后，該系統(tǒng)實(shí)際上可以用流體力學(xué)中熟悉的那種方程來(lái)描述。

此外他們還發(fā)現(xiàn)，描述蜜蜂搜索策略的萊維飛行(Lévy Flight)統(tǒng)計(jì)學(xué)也適用于量子系統(tǒng)的流體動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

將捕獲的離子作為受控量子模擬的平臺(tái)

量子模擬器是在因斯布魯克大學(xué)校區(qū)的奧地利科學(xué)院量子光學(xué)和量子信息研究所(IQOQI)建造的。“我們的系統(tǒng)通過(guò)使用離子的兩個(gè)能級(jí)代表分子磁體的南北極有效地模擬了一個(gè)量子磁體，”IQOQI因斯布魯克科學(xué)家Manoj Joshi說(shuō)道。

“我們最大的技術(shù)進(jìn)步是，我們成功地單獨(dú)解決了51個(gè)離子中的每一個(gè)，”Manoj Joshi表示，“因此，我們能研究任何所需數(shù)量的初始狀態(tài)的動(dòng)力學(xué)，這對(duì)于說(shuō)明流體動(dòng)力學(xué)的出現(xiàn)是必要的。”

“雖然目前量子比特的數(shù)量和量子狀態(tài)的穩(wěn)定性非常有限，但有些問(wèn)題我們已經(jīng)可以利用今天量子模擬器的巨大計(jì)算能力，”來(lái)自慕尼黑工業(yè)大學(xué)集體量子動(dòng)力學(xué)教授Michael Knap說(shuō)道，“在不久的將來(lái)，量子模擬器和量子計(jì)算機(jī)將成為研究復(fù)雜量子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的理想平臺(tái)?，F(xiàn)在我們知道，在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)之后，這些系統(tǒng)遵循經(jīng)典的流體動(dòng)力學(xué)規(guī)律。任何強(qiáng)烈的偏離都表明模擬器沒(méi)有正常工作。”

關(guān)鍵詞： 常規(guī)計(jì)算機(jī) 模擬量子動(dòng)力學(xué) 量子模擬 集體量子動(dòng)力學(xué)