<p>在單個(gè)原子的尺度上，物理學(xué)變得很奇怪。研究人員正在努力揭示、利用和控制這些奇怪的量子效應(yīng)，使用量子模擬模擬器&mdash;&mdash;實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，包括過冷數(shù)十到數(shù)百個(gè)原子，并用微調(diào)激光器和磁鐵探測(cè)它們。</p> <p>&nbsp;</p> <p>科學(xué)家們希望，從量子模擬器中獲得的任何新認(rèn)識(shí)，都將為設(shè)計(jì)新的奇異材料、更智能、更高效的電子產(chǎn)品以及實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)提供藍(lán)圖。但為了從量子模擬器中獲得真知灼見，科學(xué)家們首先必須信任它們。</p> <p>&nbsp;</p> <p>也就是說，他們必須確保他們的量子設(shè)備具有&ldquo;高保真度&rdquo;，并準(zhǔn)確地反映量子行為。例如，如果一個(gè)原子系統(tǒng)很容易受到外部噪聲的影響，研究人員可以假設(shè)存在不存在的量子效應(yīng)。但直到現(xiàn)在，還沒有可靠的方法來表征量子模擬模擬器的保真度。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在今天發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)研究中，麻省理工學(xué)院和加州理工學(xué)院的物理學(xué)家報(bào)告了一種新的量子現(xiàn)象:他們發(fā)現(xiàn)原子的量子漲落存在一定的隨機(jī)性，這種隨機(jī)行為表現(xiàn)出一種普遍的、可預(yù)測(cè)的模式。既隨機(jī)又可預(yù)測(cè)的行為聽起來可能有點(diǎn)矛盾。但該團(tuán)隊(duì)證實(shí)，某些隨機(jī)波動(dòng)確實(shí)可以遵循可預(yù)測(cè)的統(tǒng)計(jì)模式。</p> <p>&nbsp;</p> <p>更重要的是，研究人員已經(jīng)使用這種量子隨機(jī)性作為工具來表征量子模擬模擬器的保真度。他們通過理論和實(shí)驗(yàn)證明，他們可以通過分析量子模擬器的隨機(jī)波動(dòng)來確定其精度。</p> <p>&nbsp;</p> <p>該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新的基準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議，可以應(yīng)用于現(xiàn)有的量子模擬模擬器，根據(jù)它們的量子波動(dòng)模式來衡量它們的保真度。該協(xié)議可以幫助加速新型奇異材料和量子計(jì)算系統(tǒng)的開發(fā)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;這項(xiàng)工作將允許以非常高的精度描述許多現(xiàn)有的量子設(shè)備，&rdquo;該研究的合著者、麻省理工學(xué)院物理學(xué)助理教授Soonwon Choi說。&ldquo;這也表明，在混沌量子系統(tǒng)的隨機(jī)性背后，存在著比我們之前所認(rèn)為的更深層次的理論結(jié)構(gòu)。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>這項(xiàng)研究的作者包括麻省理工學(xué)院的研究生丹尼爾&middot;馬克，以及加州理工學(xué)院、伊利諾伊大學(xué)香檳分校、哈佛大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校的合作者。</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>隨機(jī)進(jìn)化</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>這項(xiàng)新研究的動(dòng)力來自于谷歌在2019年的一項(xiàng)進(jìn)展，該公司的研究人員建造了一臺(tái)被稱為&ldquo;梧桐&rdquo;的數(shù)字量子計(jì)算機(jī)，它可以比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快地進(jìn)行特定計(jì)算。</p> <p>&nbsp;</p> <p>經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的計(jì)算單元是以0或1的形式存在的&ldquo;位&rdquo;，而量子計(jì)算機(jī)中的單位，被稱為&ldquo;量子位&rdquo;，可以以多種狀態(tài)的疊加形式存在。當(dāng)多個(gè)量子比特相互作用時(shí)，理論上它們可以運(yùn)行特殊的算法，在比任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)都短得多的時(shí)間內(nèi)解決難題。</p> <p>&nbsp;</p> <p>谷歌的研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)超導(dǎo)回路系統(tǒng)，使其表現(xiàn)為53個(gè)量子比特，并表明&ldquo;計(jì)算機(jī)&rdquo;可以執(zhí)行特定的計(jì)算，通常情況下，即使是世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)也難以解決這個(gè)問題。</p> <p>&nbsp;</p> <p>谷歌也恰好表明它可以量化系統(tǒng)的保真度。通過隨機(jī)改變單個(gè)量子比特的狀態(tài)，并將所有53個(gè)量子比特的結(jié)果狀態(tài)與量子力學(xué)原理的預(yù)測(cè)進(jìn)行比較，他們能夠測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Choi和他的同事想知道他們是否可以使用類似的隨機(jī)方法來衡量量子模擬模擬器的保真度。但他們必須克服一個(gè)障礙:與谷歌的數(shù)字量子系統(tǒng)不同，模擬模擬器中的單個(gè)原子和其他量子比特難以操縱，因此難以隨機(jī)控制。</p> <p>&nbsp;</p> <p>但通過一些理論建模，Choi意識(shí)到，在谷歌的系統(tǒng)中單獨(dú)操縱量子位的集體效應(yīng)可以在模擬量子模擬器中再現(xiàn)，只需讓量子位自然進(jìn)化。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們發(fā)現(xiàn)，我們不需要設(shè)計(jì)這種隨機(jī)行為，&rdquo;崔說。&ldquo;在沒有微調(diào)的情況下，我們可以讓量子模擬器的自然動(dòng)力學(xué)進(jìn)化，結(jié)果將導(dǎo)致由于混沌而產(chǎn)生類似的隨機(jī)模式。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>建立信任</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>作為一個(gè)極其簡(jiǎn)單的例子，想象一個(gè)由五個(gè)量子比特組成的系統(tǒng)。每個(gè)量子位可以同時(shí)以0或1的形式存在，直到進(jìn)行測(cè)量，然后量子位就會(huì)進(jìn)入一種或另一種狀態(tài)。對(duì)于任何一次測(cè)量，量子位都可以采用32種不同的組合之一:0-0-0-0-0,0-0-0-1，等等。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Choi解釋說:&ldquo;這32種構(gòu)型將以一定的概率分布出現(xiàn)，人們認(rèn)為這應(yīng)該與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的預(yù)測(cè)相似。&rdquo;&ldquo;我們發(fā)現(xiàn)它們平均上是一致的，但有些偏差和波動(dòng)表現(xiàn)出一種我們不知道的普遍隨機(jī)性。這種隨機(jī)性看起來就像你運(yùn)行谷歌所做的那些隨機(jī)操作一樣。&rdquo;</p> <p>研究人員假設(shè)，如果他們能夠開發(fā)一種數(shù)值模擬，精確地代表量子模擬器的動(dòng)力學(xué)和普遍隨機(jī)波動(dòng)，他們就可以將預(yù)測(cè)結(jié)果與模擬器的實(shí)際結(jié)果進(jìn)行比較。兩者越接近，量子模擬器就必須越精確。</p> <p>&nbsp;</p> <p>為了驗(yàn)證這一想法，Choi與加州理工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)人員合作，設(shè)計(jì)了一個(gè)包含25個(gè)原子的量子模擬模擬器。物理學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中使用激光來集體激發(fā)原子，然后讓量子比特自然地相互作用并隨著時(shí)間的推移而進(jìn)化。他們?cè)诙啻芜\(yùn)行中測(cè)量了每個(gè)量子比特的狀態(tài)，總共收集了10,000個(gè)測(cè)量值。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Choi和他的同事們還開發(fā)了一個(gè)數(shù)值模型來代表實(shí)驗(yàn)的量子動(dòng)力學(xué)，并結(jié)合了一個(gè)他們推導(dǎo)出來的方程來預(yù)測(cè)應(yīng)該出現(xiàn)的普遍的隨機(jī)波動(dòng)。然后，研究人員將他們的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較，并觀察到非常接近的匹配&mdash;&mdash;強(qiáng)有力的證據(jù)表明，這個(gè)特定的模擬器可以被信任，反映了純粹的量子力學(xué)行為。</p> <p>&nbsp;</p> <p>更廣泛地說，結(jié)果證明了一種新的方法來描述幾乎任何現(xiàn)有的量子模擬模擬器。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Choi說:&ldquo;表征量子設(shè)備的能力形成了一個(gè)非?；镜募夹g(shù)工具，可以構(gòu)建越來越大、更精確和復(fù)雜的量子系統(tǒng)。&rdquo;&ldquo;通過我們的工具，人們可以知道他們使用的系統(tǒng)是否值得信賴。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>這項(xiàng)研究得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局、陸軍研究辦公室和能源部的部分資助。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點(diǎn)。</p> </blockquote>