量子物理学家在量子计算机上模拟了量子粒子的超扩散，为深入了解凝聚态物理和材料科学铺平了道路。这一成就是在都柏林远程编程的27量子位系统上实现的，它强调了量子计算在商业和基础物理研究中的潜力。

三一学院的量子物理学家与IBM都柏林分校合作，成功地在量子计算机上模拟了相互作用量子粒子系统中的超级扩散。

这是在量子硬件上进行极具挑战性的量子输运计算的第一步，随着硬件的不断改进，这项工作有望为凝聚态物理和材料科学带来新的曙光。

这项工作是TCD-IBM博士前奖学金项目的首批成果之一，该项目最近成立，IBM雇佣博士生作为员工，同时在三一学院共同监督。这篇论文最近发表在《自然》杂志《NPJ量子信息》上。

IBM是量子计算领域的全球领导者。本研究中使用的早期量子计算机由27个超导量子比特(量子比特是量子逻辑的基石)组成，物理上位于纽约Yorktown Heights的IBM实验室，并从都柏林远程编程。

量子计算是目前最令人兴奋的技术之一，预计在未来十年内将逐步走向商业应用。除了商业应用之外，量子计算机还可以帮助解决一些有趣的基本问题。三一学院和IBM都柏林分校的研究小组解决了一个关于量子模拟的问题。

在解释这项工作的意义和量子模拟的概念时，新成立的三一量子联盟主任、领导这项研究的三一学院教授约翰·戈德解释说:

“一般来说，模拟具有许多相互作用成分的复杂量子系统的动力学问题对传统计算机来说是一个巨大的挑战。考虑一下这个特定设备上的27个量子位。在量子力学中，这样一个系统的状态是用一种叫做波函数的物体来描述的。为了使用标准计算机来描述这个对象，你需要在内存中存储大量的系数，并且需求随着量子位的数量呈指数级增长;在这个模拟中，大约有1.34亿个系数。

“当你把系统扩展到300个量子比特时，你需要比可观测宇宙中的原子更多的系数来描述这样一个系统，没有经典计算机能够准确地捕捉系统的状态。”换句话说，我们在模拟量子系统时遇到了瓶颈。使用量子系统来模拟量子动力学的想法可以追溯到美国诺贝尔奖得主物理学家理查德·费曼，他提出量子系统最好是用量子系统来模拟。原因很简单——你很自然地利用了量子计算机是由波函数描述的这一事实，从而避免了对指数级经典资源的需求来存储状态。”

那么这个团队到底模拟了什么呢?gold教授继续说道:

“一些最简单的非平凡量子系统是自旋链。这些系统是由被称为自旋的小连接磁铁组成的，可以模拟更复杂的材料，并用于理解磁性。我们对一个叫做海森堡链的模型很感兴趣，我们对自旋激发如何在系统中传递的长期行为特别感兴趣。在这个长时间的限制下，量子多体系统进入流体动力学状态，传输用描述经典流体的方程来描述。

“我们对一种特殊的状态很感兴趣，在这种状态下，由于底层物理受一种叫做卡达-帕里西-张方程的东西的控制，一种叫做超扩散的东西会发生。这是一个典型的描述表面或界面的随机增长的方程，比如在暴风雪中雪的高度如何增长，咖啡杯在布上的污渍如何随着时间的推移而增长，或者绒毛火如何增长。这种传播已知会产生超扩散输运。这是随着系统大小的增加而变得更快的传输。令人惊讶的是，控制这些现象的相同方程突然出现在量子动力学中，我们能够使用量子计算机来验证这一点。这是这项工作的主要成果。”

ibm三一学院的博士前学者内森·基南(Nathan Keenan)为该设备编程，作为该项目的一部分，他向我们讲述了为量子计算机编程的一些挑战。

他说:“为量子计算机编程的最大问题是在噪声存在的情况下进行有用的计算。”“在芯片级执行的操作是不完美的，计算机对实验室环境的干扰非常敏感。因此，您需要最小化有用程序的运行时间，因为这将缩短这些错误和干扰可能发生并影响结果的时间。”

IBM英国和爱尔兰研究总监Juan bernab<s:1> - moreno表示:

“IBM在推进量子计算技术方面有着悠久的历史，不仅带来了数十年的研究，而且还提供了最大、最广泛的商业量子程序和生态系统。我们与都柏林圣三一学院的合作，通过量子科学与技术硕士和博士课程，体现了这一点，我很高兴它已经取得了有希望的成果。”

随着世界进入一个量子模拟的新时代，让人放心的是，三一学院的量子物理学家走在了最前沿——为未来的设备编程。量子模拟是新成立的Trinity量子联盟的核心研究支柱，该联盟由John gold教授创立并领导，该联盟有五个创始工业合作伙伴，包括IBM、微软、Algorithmiq、Horizon和穆迪分析。

参考文献:Nathan Keenan, Niall F. Robertson, Tara Murphy, Sergiy Zhuk和John gold在数字量子模拟器上的“karda - paris - zhang缩放的证据”，2023年7月20日，npj quantum Information。DOI: 10.1038 / s41534 - 023 - 00742 - 4