通过将数字和模拟量子模拟结合到一种新的混合方法中，科学家们已经开始使用量子计算机进行新的科学发现。

（图片来源：NiPlot/Getty Images）

谷歌的科学家们揭示了一种新的“量子模拟”方法，该方法利用计算能力来模拟强大量子系统的行为。他们认为，这种方法可能会导致量子计算机在五年内超越超级计算机，并在药物发现和电池开发方面取得突破。

量子模拟是计算机模拟物理过程和大型量子系统（如复杂分子）的过程。从本质上讲，工程师模拟的是受量子物理学影响主导的物理过程。

但这在经典计算机中很难做到，因为你必须对每个粒子与其他每个粒子的相互作用进行建模。由于亚原子粒子有可能同时处于多种状态，并且可以相互纠缠，因此随着涉及的粒子数量的增加，这些计算的复杂性会迅速飙升。

相反，科学家们正在转向量子计算机来解决问题，其行为已经受到量子力学定律的支配。因为量子物理学是这些系统的工作方式中内置的。如果量子比特以正确的方式纠缠或链接在一起，它们就可以模拟更大的量子系统，而无需显式计算系统演化过程中的每一步。

这就是“量子模拟”发挥作用的地方。量子模拟有两种类型。数字模拟使研究人员可以通过串联纠缠和解开不同的量子比特对（两个纠缠的量子比特）来选择性地在量子态之间旋转。同时，模拟仿真要快得多。这涉及一次纠缠整个系统中的所有量子比特，但由于量子比特可能容易出错，这会增加模拟输出变成无意义噪声的风险。

2 月 5 日发表在《自然》杂志上的一项研究中概述了量子模拟的新方法，通过将数字和模拟模拟混合到单一的多阶段方法中来利用这两种选择。

这种“混合”方法从数字模拟层开始，科学家们利用系统的灵活性来准备每个量子比特对的初始量子态，并选择最相关的位置开始。接下来，该过程切换到模拟模拟，它可以朝着科学家想要研究的特定量子态发展。

最后，该过程切换回数字模拟，以微调和探测量子态，以解决正在模拟的物理场中最有趣的问题。

谷歌量子人工智能（Google Quantum AI）的创始人兼负责人哈特穆特·内文（Hartmut Neven）在一份电子邮件声明中表示，这项新研究意味着，在未来五年内，量子计算机在实际环境中的性能可能会超过传统的超级计算机。时间估计差异很大，有些人认为这可能远至 20 年或在未来几年内实现。

科学家们已经证明，谷歌的量子计算芯片，包括 Sycamore 和新发布的 Willow，可以胜过最强大的超级计算机——但到目前为止，这只是在基准测试方面。科学家们表示，为了在实际场景中取得霸主地位，他们必须进一步提高校准和控制精度，并改进硬件。他们还需要确定既可以通过量子模拟解决的问题，又因过于复杂而无法使用经典计算机解决的问题。

然而，新的混合研究使当今的量子计算机能够提升最快的超级计算机的能力。这种混合方法已经被用来取得新的科学发现，谷歌科学家在测试他们的新方法时取得了这些发现。例如，在磁铁的行为中，谷歌科学家解决了磁铁在冷却到极低温度时的行为，以及能量如何从热部件流向冷部件的问题。

混合方法还被用来表明 Kibble-Zurek 机制 （KZM）——一种被广泛认为的模型，用于预测材料中缺陷形成的位置——并不总是正确的。相反，新的混合仿真揭示了全新的物理场。科学家们说，这是混合方法量子模拟可以解决的那种发现的一个例子。