你知道什么是模擬嗎？

量子模擬：模擬量子狀態，還得靠量子

量子系統的描述為什么這么困難？雖然從理論上來說，我們可以用量子力學描述一切粒子的狀態，但搞清量子力學問題依然非常困難。這是因為，原子間的作用力實在是太復雜了，描述大型物理系統量子狀態的參數隨著系統大小的增加呈指數級增長，因此需要大量的計算機內存來存儲。一般情況下，即使在當今的超級計算機上，模擬量子系統中的物理問題仍然是一項非常艱巨的任務。

在20世紀中葉以后，人們已經明確地認識到模擬量子力學問題是極具挑戰性的。1959年，費曼在美國物理學會年會發表了著名演講“There’s plenty of room at the bottom”。這篇演講中，他認為人類應當向更小尺度的科技邁進，這次演講被認為是量子科技發展的開端。1982年，在費曼的另一次演講“Simulating physics with computers”中，首次明確提出了量子模擬的概念。他指出，由于在量子力學系統中基的空間隨粒子數目呈指數增長，經典計算機很難解決此類問題。一種可行的解決方法是“A quantum for a quantum”，即通過量子系統來“計算”量子系統。這也就是量子模擬的基本思想。

▲理查德·費曼（Richard Feynman），美國理論物理學家，1965年因對量子電動力學的貢獻，與朱利安·施溫格及朝永振一郎共同獲得諾貝爾物理學獎。

在費曼提出量子計算機的概念的十多年后，研究表明量子計算機確實可以充當通用量子模擬器。這里的“通用”指的是，除了運行的程序有所改變，同一臺機器能夠用于解決不同的問題。然而，如果我們只需要模擬一些特定的量子力學問題，通用的量子計算機并不是必要的。因此，在完全成熟的通用量子計算機出現之前，我們就可以通過更加簡單的量子系統實現量子模擬來解決一些困擾了人們很久的物理問題。

什么是量子模擬?

使用經典算法模擬量子力學問題是一個非常困難的計算問題，特別是當被模擬的體系非常大時。然而，通過使用一些可控的量子系統，來研究另一個不太可控或實現上較為困難的量子系統，即量子模擬，可以克服這一困難。量子模擬在諸如凝聚態物理、高能物理、原子物理、量子化學和宇宙學等領域的問題研究中都具有非常廣闊的應用前景。

廣義的量子模擬系統大體可分為兩類。一類通常被稱為量子計算機（quantum computer），它們通過構造量子比特和量子門，實現經典數字計算機在量子體系下的對應，并利用量子比特的疊加性進行大規模的計算。另一類則稱為量子模擬器（quantum simulator），通過構造與目標體系等效的哈密頓量來模擬對應的系統，給出定量或定性的結論。我們這里討論的量子模擬指的是后者，而前者則一般被稱為量子計算。

冷原子模擬：有多冷才能叫“冷原子”？

2024年7月10日，中國科學技術大學潘建偉、陳宇翱、姚星燦、鄧友金等人成功構建了求解費米子哈伯德模型的超冷原子量子模擬器“天元”，以超越經典計算機的模擬能力首次驗證了該體系中的反鐵磁相變，朝向獲得費米子哈伯德模型的低溫相圖、理解量子磁性在高溫超導機理中的作用邁出了重要的第一步。

▲ “天元”量子模擬器示意。紅色和藍色的小球分別代表自旋相反的原子，它們在三維空間交錯排列，形成了反鐵磁晶體。原子被光晶格囚禁在玻璃真空腔中。