重大突破——超越超级计算机，美国成功制造了新型模拟量子计算机

物理学家们发明了一种新型模拟量子计算机，可以解决超级计算机无法解决的物理难题。来自美国两所大学的合作科学家在《自然物理学》杂志上发表的一项新研究表明，一种新型高度专业化的模拟计算机，其电路以量子元件为特征，可以从量子物理学的前沿解决以前无法解决的任何问题。放大后，这种装置可能能够揭示物理学中一些最重要的未解决问题。
例如，科学家和工程师长期以来一直希望更好地理解超导性，因为现有的超导材料，如MRI机器、高速列车和长距离节能电力网络中使用的超导材料目前只能在极低的温度下运行，限制了其更广泛的应用。材料科学的圣杯是找到室温下超导的材料，这将彻底改变它们在所有技术中的应用。
美国某量子工程、科学和技术中心的一位主任表示：“某些问题太复杂了，即使是最快超级计算机也永远无法解决，我们需要一个强有力的帮手。对高温超导体等复杂量子材料的精确模拟是一个非常重要的例子，因为模拟实现的成品需要指数计算时间和内存需求，这种计算远远超出了当前的能力。然而，推动数字革命的技术和工程进步带来了前所未有的在纳米尺度上控制物质的能力。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固有的量子力学财产来解决量子物理中的特定模型我们还没有能力制造出一台具有足够功率的通用可编程量子计算机来解决物理学中的所有开放问题，我们现在可以做的是用量子组件制造定制的模拟设备，以解决特定的量子物理问题。”
这些新量子器件的架构涉及混合金属半导体组件，这些组件被整合到纳米电子电路中，由美国两个国家实验室两所大学的科学家共同建造并操作，而理论和建模工作则主要由大学科学家完成。“我们一直在制作数学模型，希望能够捕捉到我们感兴趣的现象的本质，但即使我们相信它们是正确的，它们也往往无法在合理的时间内解决。有了量子模拟器，我们有了前所未有的旋钮，我们可以计算一切，改变一切，了解一切。”
为什么要模拟？
这些模拟设备的基本思想是建立一种与你想要解决的问题类似的硬件，而不是为可编程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，在这个模型中，有人转动曲柄，旋转的互锁齿轮代表着月球和行星的运动，你可以随时计算轨道。事实上，这种机制在2000多年前就已经被使用了，考古学家们在希腊一座岛屿海岸附近的一艘古代沉船中发现了一种设备，这种设备可以看作是一种非常早期的模拟计算机。
但要解决量子物理问题，这些设备需要包含量子组件。新的量子模拟器体系结构包括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控制。重要的是，可以制造许多这样的组件，每个组件的行为基本上与其他组件相同。这对于量子材料的模拟至关重要，其中电路中的每一个电子元件都是被模拟原子的代理，其行为就像一个“人造原子”。正如材料中相同类型的不同原子的行为一样，模拟计算机的不同电子部件也必须如此。
因此，新设计为将技术从单个单元扩展到能够模拟大体积量子物质的大型网络提供了一条独特的途径。此外，研究人员还表示，新的微观量子相互作用可以在这样的设备中实现。这项工作是朝着开发新一代可扩展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，科学家们首先研究了一个由两个耦合在一起的量子组件组成的简单电路。
该装置模拟了两个原子通过特殊的量子相互作用耦合在一起的模型。通过调整电压，研究人员能够产生一种新的物质状态，在这种状态下，电子似乎只有其通常电荷的1/3，即“Z3副电荷”。这些难以捉摸的状态已被提出作为未来拓扑量子计算的基础，但以前从未在实验室的电子设备中创造过，人类首次实现模拟计算机。“通过将量子模拟器从两个纳米级组件扩展到许多纳米级组件，我们希望能够为当前计算机无法处理的更复杂的系统建模。这是最终揭开量子宇宙中一些最令人费解的谜团的第一步。”