从超级计算机到量子计算机的飞跃解开物理学中最神秘概念

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布鲁克海文国度试验室盘算机迷信家迈克尔·麦奎根(Michael McGuigan)说：想想看，假如咱们教量子盘算机做统计力学，咱们能做甚么？事先，麦奎根正在反思绪德维希·玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann)，以及这位有名的物理学家，怎样不得不鼎力保卫他的统计力学实践。玻尔兹曼在19世纪末提出了对于原子性子怎样决议物资物感性质的主意，但他有一个异样宏大的阻碍：事先乃至没有证实原子的存在。

明天，玻尔兹曼因子在物理学中失掉了普遍的利用。但是，与玻尔兹曼同时代的人不接收他对原子和物理学观念，使他一度疲乏和懊丧。玻尔兹曼因子盘算的是绝对于零能量而言，处于特定能量状况的粒子体系被发明的几率。比方，玻尔兹曼因子被用来活着界上最大的超等盘算机长进行盘算，以研讨原子、份子和夸克的行动。
这些盘算是应用布鲁克海文试验室的绝对论重离子对撞机和欧洲核子研讨核心的大型强子对撞机等设备。固然要证实玻尔兹曼是对的，须要一场翻天覆地的变更，但盘算机迷信家当初正处于新一轮盘算海潮的边沿，他们正在实现从超等盘算机到量子盘算机的奔腾。这些量子盘算机有可能解开物理学中一些最奥秘的观点。并且，奇异的是，这些所谓的神秘可能对很多人来讲有点熟习。

固然大少数人都很熟习时光和温度的观点，而且天天都市看它们几回，但现实证实，这些基础观点在物理学中依然是个谜。玻尔兹曼因子有助于对温度效应停止建模，这些温度效应能够用来猜测和把持原子行动和物感性质，它们在经典盘算机上后果很好。但是，在量子盘算机上，盘算中应用的量子逻辑门（相似于数字电路中的逻辑门）是用单数表现，而不是波尔兹曼因子，依据界说，波尔兹曼因子是实数。

这一成绩为McGuigan和先生/合著者Raffaele Miceli供给了一个风趣的成绩，能够应用布鲁克海文试验室通过橡树岭国度试验室的IBM Q Hub拜访IBM通用量子盘算体系协定供给的量子盘算实验台来处理。这项配合容许布鲁克海文（以及收集中的其余人）拜访IBM的贸易量子体系，包含用于试验的20和53量子比特体系。在量子盘算机上，另有另一种摹拟无限温度的方式，称为热场能源学，它可能盘算与时光和温度有关的量。

在这类情势中，结构一个体系的双倍，称为热双倍，而后在量子盘算机长进行盘算，由于盘算能够用单数的量子逻辑门来表现。最后，能够把双态相加，并发生一个无效的玻尔兹曼因子，用于无限温度下的盘算。情势主义也有必定的长处。比方，能够应用这类量子算法研讨无限温度的影响，以及事先间和温度离开时，体系是怎样及时演变的。

一个毛病是，它须要比零温度盘算多一倍的量子比特来处置双态。研讨职员演示了怎样在包括几个粒子的简略体系上，实现无限温度下温度场能源学的量子算法，并发明与经典盘算完整分歧，研讨应用了经典和量子盘算的资本，应用了Qiskit开源量子盘算软件，这使得能够在云中创立研讨职员的算法。而后，Qiskit将该代码转换成与量子盘算机停止及时通讯的脉冲。

运转经典算法的优化器进一步实现了传统体系和量子体系之间的来回。试验标明，量子体系有一个上风，那就是正确地表现及时盘算，而不是从设想的时光扭转到及时来寻觅成果。研讨供给了一个体系怎样退化的更实在的图景，能够把这个成绩映照到量子摹拟上，让它退化。量子宇宙学是麦吉根估计新的量子盘算抉择将发生深远影响的另一个范畴。

虽然古代超等盘算机在懂得宇宙方面获得了很多提高，但一些物理体系依然超越了它们的才能范畴。数学上的庞杂性，平日包含对全量子引力实践的说明，几乎太大了，以致于没法取得准确的解。但是，一台真正的量子盘算机，具有应用胶葛和叠加的才能，将为新的、更准确的算法供给更多的抉择。量子体系能够及时实现门路积分，让迷信家可能停止大范围的宇宙摹拟。你能够设想出宇宙向前演变时盘算出的波函数，而不须要先构成一个完全的量子引力实践。

再一次，应用Qiskit软件包和拜访IBM Q硬件，McGuigan和布朗大学的先生Charles Kocher，应用经典盘算方式和VQE混杂停止了种种试验，包含一项检讨与玻色子场（一种在古代宇宙学中施展主要感化的设想粒子）耦合的引力与玻色子场耦合的体系试验。研讨标明，混杂VQE发生的波函数与Wheeler-Dewitt方程分歧，Wheeler-Dewitt方程在数学上联合了量子力学和阿尔伯特·爱因斯坦的绝对论。固然初期的量籽实验，致使了对物理学背地基本常识的差别视角。

但量子盘算无望为处理影响动力部义务的临时成绩做出严重奉献。此中，它能够成为揭露新资料、处理动力挑衅或增添对高能物理和宇宙学基础懂得的东西（如时光和温度）。反过去，这些变更可能会级联到更轻易辨认的范畴。比方，药物开辟者须要更多的量子力学来懂得份子构造。量子盘算机能够通过供给完全量子力学的摹拟来实现发明，这将供给一个真正适用的观念。人们仿佛老是对物理学背地的基本常识感兴致，几千年来，大众始终对它感兴致。现在，实践专业常识和现实技巧的联合正在与量子盘算融会。

但是，这依然是一项十分人道化的尽力。现在，应用近期量子盘算机来处理小的热场成绩或从新审阅旧宇宙，正在鼓励研讨职员在迷信上做更大事件的同时，扩展算法。天下各地的其余构造，如加拿大的周长研讨所和荷兰的阿姆斯特丹大学，曾经在将热场双量子算法扩大到更大的体系。跟着50⑽0量子位的大型近期量子盘算机呈现，目的是在触及很多粒子的事实体系上运转无限的温度摹拟。有一台真正的量子盘算机来测试这些已经没有处理计划的主意和成绩使人高兴。

原文题目：从超等盘算机到量子盘算机的奔腾，或将解开物理学中最奥秘观点！
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