快速前进的量子进化：物理特性提高了量子模拟的效率

最近发表的新理论突破解决了关于在未来量子计算机上模拟量子系统的可行性的两个长期存在的问题，它克服了复杂性分析的挑战，使更先进的算法成为可能。洛斯阿拉莫斯国家实验室的一个量子团队的工作在两本出版物中作了介绍，表明量子系统的物理特性允许更快的模拟技术。

洛斯阿拉莫斯的量子理论家、这两篇论文的共同作者罗兰多·索玛说："基于这项工作的算法将需要在量子计算机上首次全面展示量子模拟，"。

论文"低能量子空间中的哈密尔顿模拟"表明，量子模拟算法的复杂性取决于相关的能量尺度，而不是像以前认为的那样取决于系统的全部能量范围。事实上，一些量子系统可以有无界能量的状态，因此，即使在大型量子计算机上，模拟也会被证明是难以解决的。

这项新的研究发现，如果一个量子系统只探索低能量状态，它可以在量子计算机上以低复杂度进行模拟，而不会出现模拟崩溃的错误。

洛斯阿拉莫斯的理论物理学家、该论文的第一作者Burak Sahinoglu说："我们的工作提供了一条在低能量下系统研究量子模拟的路径，这将是推动量子模拟接近现实的需要。"该论文发表在《自然》杂志的合作伙伴《量子信息》杂志上。

"在算法的每一步，你永远不会逃到非常大的能量上去，"索玛说。"有一种方法可以编写你的量子算法，以便在每一步昨晚之后仍然留在低能量子空间内。"

作者说，他们的研究适用于一大类量子系统，并将有助于模拟量子场理论，这些理论在其低能量状态下描述物理现象。

量子系统的快速前进绕过了时间-能量不确定性原理

另一篇论文，"快进量子演化"，是索玛与加州理工学院的顾守珍，也是前洛斯阿拉莫斯量子计算暑期学校的学生合作发表在《量子》上。它展示了三个量子系统，其中量子模拟算法的运行速度--在某些情况下是指数级的，这超过了时间-能量不确定性原理所建议的极限。

索玛说："在量子力学中，在测量一个系统的能量时可以达到的最佳精度，一般来说，与测量的持续时间成反比。然而，这一原则并不适用于所有的量子系统，特别是那些具有某些物理特征的系统。"

作者表明，当这一原则被绕过时，这样的量子系统也可以在量子计算机上被非常有效地模拟，或者说是快进。

了解更多：

Burak Sahinoglu和Rolando D. Somma的"低能量子空间中的哈密尔顿模拟"，2021年7月27日，npj量子信息。

DOI: 10.1038/s41534-021-00451-w

"快速前进的量子演化"，作者：顾守珍、Rolando D. Somma和Burak Sahinoglu，2021年11月15日，Quantum。

DOI: 10.22331/q-2021-11-15-577