2048退火量子計算機首次演示拓撲相變 量子模擬技術(shù)的又一突破

2048退火量子計算機首次演示拓撲相變量子模擬技術(shù)的又一突破D-Wave系統(tǒng)公司在Nature雜志發(fā)表了一項里程碑式的研究，使用2048-qubit的退火量子計算機演示了拓撲相變，證明完全可編程的D-Wave量子計算機可以大規(guī)模地用作量子系統(tǒng)的精確模擬器。量子計算機的主要應(yīng)用之一是模擬自然量子現(xiàn)象，在最近發(fā)表的一項研究中，來自加拿大D-Wave系統(tǒng)公司的研究人員演示了如何做到這一點。他們模擬的現(xiàn)象涉及與薄膜超導(dǎo)性和超流性相關(guān)的拓撲相變。這被稱為Kosterlitz-Thouless相變，其發(fā)現(xiàn)者布朗大學的MichaelKosterlitz和華盛頓大學的DavidThouless共同獲得2016年諾貝爾物理學獎。8月22日，D-Wave系統(tǒng)公司在Nature雜志發(fā)表了一項里程碑式的研究，使用2048-qubit的退火量子計算機演示了拓撲相變。這種復(fù)雜的材料量子模擬是減少耗時且昂貴的物理研究和開發(fā)的重要一步。這張圖的下半部分是一個2048-qubit的D-Wave2000Q處理器，用來模擬圖的上半部分描繪的量子磁系統(tǒng)的行為。（via：D-WaveSystems）論文題為《在1800量子比特的可編程晶格中觀察量子拓撲現(xiàn)象》（Observationoftopologicalphenomenainaprogrammablelatticeof1，800qubits）。29位作者寫作的論文這項工作標志著該領(lǐng)域的一個重要進展，并再次證明，完全可編程的D-Wave量子計算機可以大規(guī)模地用作量子系統(tǒng)的精確模擬器。這項研究中使用的方法可能對新材料的開發(fā)具有廣泛的影響，它實現(xiàn)了RichardFeynman對量子模擬器的最初設(shè)想。這項新研究緊跟D-Wave7月份在Science上發(fā)表的另一篇論文之后，那篇論文展示了在量子自旋玻璃模擬中的一種不同類型的相變。這兩篇論文共同表明了D-Wave的量子計算機在材料量子模擬中具有靈活性和通用性，以及在優(yōu)化和機器學習等其他任務(wù)上的良好表現(xiàn)。源自費曼的想法，模擬諾貝爾物理學獎的發(fā)現(xiàn)1982年，理查德·費曼（RichardFeynman）提出用可編程量子計算機模擬復(fù)雜系統(tǒng)的量子物理的想法。在過去的35年里，利用量子力學來模擬自然的潛力推動了量子計算領(lǐng)域的發(fā)展?，F(xiàn)在，來自D-WaveSystems和VectorInstitute的研究人員在完全可編程的D-Wave2000Q退火量子計算機中展示了拓撲相變（topologicalphasetransition）的模擬——這是2016年諾貝爾物理學獎的主題。這種現(xiàn)象被稱為“Kosterlitz-Thouless（KT）相變”，正是這個發(fā)現(xiàn)讓J.MichaelKosterlitz和DavidThouless獲得了2016年諾貝爾物理學獎。這種相變對于理解薄膜中的超導(dǎo)性和超流性是至關(guān)重要的，并且已經(jīng)在許多奇異的物理系統(tǒng)中觀察到，例如玻色–愛因斯坦凝聚（BoseEinsteinquasicondensates）。量子磁體的可編程模擬。（a）2048-qubitD-Wave2000Q處理器用于模擬方形八邊形晶格（b）上的量子磁系統(tǒng)，使用為三角形晶格（c）開發(fā)的理論框架。D-Wave的研究人員通過編程D-Wave2000Q系統(tǒng)，形成一個二維的人造自旋晶格，從而證明量子拓撲現(xiàn)象。如果沒有量子效應(yīng)，模擬系統(tǒng)中觀察到的拓撲性質(zhì)就不可能存在，這與理論預(yù)測非常吻合。以前已有研究使用更傳統(tǒng)的模擬方法對Kosterlitz-Thouless相變進行建模。這次，D-Wave使用完全可編程的2048-qubit退火量子計算機，實現(xiàn)了與經(jīng)典模擬一致的結(jié)果。D-Wave的2000Q計算機利用超導(dǎo)量子干涉裝置通量量子比特（fluxqubits），或稱SQUID，制作成集成電路。與表示1或0的確定值的經(jīng)典比特不同，量子比特可以在計算過程中同時表示0和1。拓撲相變附近階次的模擬。精確模擬涉及1800個量子比特D-Wave處理器與傳統(tǒng)模擬之間的定量一致性驗證了量子模擬的結(jié)果。該系統(tǒng)的對稱性使其具有極高的靈敏度，精確模擬涉及1800個量子比特，這代表了量子模擬中自旋相互作用的高保真控制和可編程性方面的突破。這種模擬以及最近D-Wave處理器對3D晶格的模擬表現(xiàn)出一定程度的復(fù)雜性和可編程性，遠遠超出了以前的研究在量子計算領(lǐng)域中所證明的任何東西。多年來，研究人員一直在爭論D-Wave的計算機是否真的具有量子效應(yīng)。這兩項研究進一步證實了D-Wave的計算機具有量子效應(yīng)?！斑@兩項研究證明了兩種完全不同的量子模擬的能力……這說明D-Wave量子計算機具有可編程性和靈活性，”D-Wave的AndrewKing說，他是Nature這篇論文的主要作者?！斑@種可編程性和靈活性是理查德·費曼（RichardFeynman）最初設(shè)想的量子模擬器的兩個關(guān)鍵要素?！?016年諾貝爾獎獲得者J.MichaelKosterlitz博士說：“這篇論文代表了物理系統(tǒng)模擬領(lǐng)域的一大突破，否則基本上是不可能得到證明的?！彼f：“這個測試重現(xiàn)了大部分預(yù)期結(jié)果，這是一個了不起的成就。這給了我們希望，未來的量子模擬器將能夠探索更復(fù)雜、更難以理解的系統(tǒng)，以便人們能夠在定量細節(jié)上信任模擬結(jié)果，將其作為物理系統(tǒng)的一個模型。我期待看到這種模擬方法在未來的應(yīng)用?！盌-Wave的首席科學家MohammadAmin博士說：“這項工作代表了量子計算領(lǐng)域的一個里程碑：第一次，在用真實的磁性材料進行驗證之前，在量子模擬中實現(xiàn)了理論預(yù)測的物質(zhì)狀態(tài)?！薄斑@是朝著實現(xiàn)量子模擬的目標邁出的重要一步，使得在實驗室將材料制造出來之前就能夠研究材料的特性，這個過程在今天是非常昂貴而且耗時的?！盌-Wave系統(tǒng)公司已經(jīng)從眾多知名投資人那里吸引了超過2億美元的資