物理学家已经创造了一种新型的模拟量子计算机，能够解决最强大的数字超级计算机无法解决的挑战性物理问题。来自美国斯坦福大学和爱尔兰都柏林大学学院（UCD）的科学家团队在《自然-物理学》杂志上发表的一项突破性研究显示，一种新型的高度专业化的模拟计算机，在其电路中配备了量子组件，能够解决量子物理学中的复杂问题，这些问题以前是无法解决的。

如果这些设备能够扩大规模，它们有可能为物理学中一些最重要的未解决的问题提供见解。

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例如，科学家和工程师长期以来一直在寻求对超导性的深入理解。目前，超导材料，如用于核磁共振仪、高速列车和节能长距离电力网络的材料，只在极低的温度下发挥作用，阻碍了其更广泛的应用。材料科学的最终目标是发现在室温下表现出超导性的材料，这将彻底改变它们在众多技术中的应用。

新的量子模拟器的显微照片，其特点是在一个电子电路中嵌入两个耦合的纳米大小的金属半导体元件。

安德鲁-米切尔博士是UCD量子工程、科学和技术中心（C-QuEST）的主任，UCD物理学院的理论物理学家，也是该论文的共同作者。他说。"某些问题实在是太复杂了，即使是最快的数字经典计算机也无法解决。高温超导体等复杂量子材料的精确模拟就是一个非常重要的例子--这种计算远远超出了目前的能力，因为模拟现实模型的特性需要指数级的计算时间和内存。"

安德鲁-米切尔博士是都柏林大学学院的理论物理学家，拥有爱尔兰研究委员会的桂冠奖，是UCD量子工程、科学和技术中心（C-QuEST）的主任。资料来源：UCD媒体：文森特-霍本的照片

"然而，推动数字革命的技术和工程进展带来了在纳米尺度上控制物质的前所未有的能力。这使我们能够设计专门的模拟计算机，称为"量子模拟器"，通过利用其纳米级组件的固有量子力学特性来解决量子物理学中的特定模型。虽然我们还不能建立一个具有足够功率的多用途可编程量子计算机来解决物理学中的所有开放问题，但我们现在能做的是建立具有量子组件的定制模拟设备，可以解决特定的量子物理问题。"

这些新的量子设备的架构涉及到纳入纳米电子电路的混合金属半导体元件，是由斯坦福大学、UCD和能源部的SLAC国家加速器实验室（位于斯坦福大学）的研究人员设计的。由David Goldhaber-Gordon教授领导的斯坦福大学实验纳米科学小组建造并操作了该装置，而理论和建模工作则由UCD的Mitchell博士完成。

Goldhaber-Gordon教授是斯坦福材料和能源科学研究所的研究员，他说。"我们总是在做数学模型，希望能抓住我们感兴趣的现象的本质，但即使我们相信它们是正确的，它们往往也无法在合理的时间内解决。"

有了量子模拟器，"我们有了这些可以转动的旋钮，这在以前是没有的，"戈德哈伯-戈登教授说。

为什么是模拟？

Goldhaber-Gordon说，这些模拟设备的基本理念是为你想要解决的问题建立一种硬件类比，而不是为一个可编程的数字计算机编写一些计算机代码。例如，假设你想预测夜空中行星的运动和日食的时间。你可以通过构建一个太阳系的机械模型来做到这一点，有人转动曲柄，旋转的互锁齿轮代表月亮和行星的运动。事实上，这样的机制是在希腊一个岛屿海岸边的古代沉船中发现的，可以追溯到2000多年前。这个装置可以被看作是非常早期的模拟计算机。

不容忽视的是，模拟机甚至在20世纪末还被用来进行数学计算，这些计算对于当时最先进的数字计算机来说太难了。

但要解决量子物理问题，设备需要涉及量子组件。新的量子模拟器架构涉及带有纳米级元件的电子电路，这些元件的特性受量子力学定律的制约。重要的是，许多这样的组件可以被制造出来，每一个组件的行为都与其他组件基本相同。这对于模拟仿真量子材料至关重要，电路中的每个电子元件都是被模拟的原子的代理，其行为就像一个"人造原子"。正如材料中同一类型的不同原子的行为是相同的一样，模拟计算机的不同电子元件也必须如此。

因此，新的设计提供了一个独特的途径，可以将该技术从单个单元扩展到能够模拟大量量子物质的大型网络。此外，研究人员表明，新的微观量子相互作用可以在这种设备中被设计出来。这项工作是朝着开发新一代可扩展的固态模拟量子计算机迈出的一步。

为了证明使用他们新的量子模拟器平台进行模拟量子计算的能力，研究人员首先研究了一个由两个量子元件耦合在一起的简单电路。

该装置模拟了一个由奇特的量子相互作用耦合在一起的两个原子的模型。通过调整电压，研究人员能够产生一种新的物质状态，其中电子似乎只具有其通常电荷的1/3--所谓的"Z3准分子"。这些难以捉摸的状态已被提议作为未来拓扑量子计算的基础，但之前从未在实验室的电子设备中创造过。

米切尔博士说："通过将量子模拟器从两个组件扩展到许多纳米大小的组件，我们希望我们能够对当前计算机无法处理的更复杂的系统进行建模。这可能是最终解开我们量子宇宙中一些最令人困惑的谜团的第一步。"

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