新技术突破！笔记本电脑实现量子计算，超越超级计算机与AI的局限

物理学家们开发了一种在日常计算机上模拟量子系统的方法，使得在不依赖超级计算机或人工智能（AI）工具的情况下，进行复杂模拟变得更加容易。

这种新方法更新了“截断维格纳近似”（TWA），这是一种用于近似量子行为的数十年技术，变成了一种即插即用的快捷方式，方便解决复杂计算。

根据研究团队的说法，这使得使用标准硬件更准确地预测现实世界中量子系统的行为成为可能，从而释放高性能计算资源，专注于更复杂的量子任务。研究人员于9月8日在期刊PRX Quantum上发表了他们的研究。

“我们的方法提供了显著更低的计算成本和更简单的动力学方程的表述，”研究共同作者Jamir Marino，纽约州立大学布法罗分校的物理学助理教授，在一份声明中表示。“我们认为这种方法在不久的将来可能会成为探索这类量子动力学的主要工具，适合普通消费者使用的计算机。”

半经典的现代演绎

TWA是一种“半经典”模拟方法，首次开发于1970年代，用于预测量子行为。

量子系统遵循量子力学的规则，通常涉及极其微小的粒子。在这个层面，像相干性和纠缠这样的现象产生的效果，无法仅用经典物理来完全解释。

这些效应会产生大量可能的结果，因此模拟它们通常需要巨大的计算能力，比如超级计算机集群或人工智能网络。为了让量子动力学在传统硬件上更容易研究，物理学家通常使用一种叫做半经典物理的理论框架。

半经典物理学涉及通过量子力学的视角处理量子方程的某些部分，而用经典物理学处理其他部分，从而使研究人员能够近似量子系统随时间的行为。

TWA通过将量子问题转化为多个简化的经典计算来工作，每个计算都以少量统计“噪声”作为起点，以考虑量子力学本身的不确定性。通过运行这些简化的计算并对结果进行平均，研究人员可以获得量子问题可能发展的足够信息。

然而，TWA最初是为“理想化”的量子系统开发的，这些系统完全与外部力量隔离。这使得数学计算变得更简单，因为它假设系统在没有外界干扰的情况下演变。

实际上，量子系统通常是开放的，且受到外部干扰。粒子在与周围环境相互作用时，可能会失去或吸收能量，甚至逐渐失去相干性。这些效应统称为 耗散动力学，超出了传统 TWA 的范围，使得预测量子系统的行为变得更加困难。

研究人员通过扩展 TWA 来处理 林布拉德方程，解决了这个问题——这是一种广泛使用的数学框架，用于建模“开放”量子系统中的耗散。他们将更新的方法打包成一个“实用、用户友好的模板”，作为一个转换表，让物理学家在几小时内输入问题，便能获得可用的方程。

“在我们之前，很多团队都尝试过这样做，”马里诺说。“已知某些复杂的量子系统可以用半经典方法高效解决。不过，真正的挑战是让它变得易于使用。”

更新后的技术使得 TWA 变得可重复使用。物理学家无需为每个新问题从头重建基础数学，而是可以将系统参数直接输入到更新的框架中。这降低了入门门槛，并显著加快了数学运算速度，团队表示。

“物理学家基本上可以在一天内掌握这种方法，到第三天，他们就能解决我们研究中提出的一些最复杂的问题，”研究的共同作者 Oksana Chelpanova，布法罗大学的博士研究员，在声明中说。