转向大规模量子模拟

在能源部橡树岭国家实验室量子计算用户计划(QCUP)的支持下，研究人员模拟了已报道的最大尺度之一的关键量子态。

该团队使用的技术可以帮助开发下一代量子计算机的量子模拟能力。

该研究使用Quantinuum的H1-1计算机对追踪疾病传播方式的经典数学模型的量子版本进行建模。计算机上的时间由QCUP提供，QCUP是橡树岭领导计算设施的一部分，该设施奖励全国各地私营量子处理器的时间来支持研究项目。

该模型使用量子比特来模拟活动状态(例如感染)和非活动状态(例如死亡或恢复)之间的转换。

该研究的合著者、物理学助理教授安德鲁·波特(AndrewPotter)说：“这项研究的目标是努力在量子计算机上构建能力，以解决这个问题以及其他在传统计算机上难以计算的类似问题。”在温哥华不列颠哥伦比亚大学。

“这个实验模型试图将量子系统引导至特定状态，同时与远离该状态的量子涨落进行竞争。存在一个过渡点，这些竞争效应完全平衡。该点将引导成功和失败的阶段分开。”

系统偏离平衡越远，由于方程的大小和复杂性，模型的经典版本就越有可能崩溃。研究小组试图利用量子计算来模拟这些动态。

经典计算机以等于0或1的位存储信息。换句话说，经典位就像电灯开关一样，存在两种状态之一：开或关。这种二元动态不一定适合对过渡状态进行建模，例如疾病模型中研究的过渡状态。

量子计算利用量子力学定律将信息存储在量子比特(比特的量子等价物)中。量子位可以通过量子叠加同时存在于多种状态，这使得量子位能够比经典位携带更多的信息。

在量子叠加中，一个量子位可以同时存在于两种状态，类似于一枚旋转的硬币——硬币既不是正面也不是反面，量子位既不是一种频率也不是另一种频率。测量量子位的值决定了测量两个可能值中的一个的概率，类似于让硬币正面或反面停止。这种动态允许更广泛的可能值，可用于研究过渡状态等复杂问题。

研究人员希望这些可能性将推动一场量子革命，让量子计算机在速度和功率上超越经典机器。然而，当前量子机器使用的量子位往往很容易退化。这种衰减会导致高错误率，可能会混淆任何大于测试问题的模型的结果。

Potter和他的同事通过Quantinuum计算机上的QCUP获得了时间，该计算机使用捕获的离子作为量子位。他们在整个运行过程中测量电路或量子门，并使用一种称为量子位回收的技术来消除退化的量子位。

“我们使用量子处理器来模拟一个系统，其中活跃的量子位能够激活相邻的量子位或变得不活跃，”波特说。“通过在每个步骤中实时监控系统并进行测试，我们可以检测在量子位上执行量子门可能会影响量子位状态的可能性，如果没有，则将其从计算中删除。这这样，我们就可以避免出现错误的机会。”

该团队确定他们可以在20个量子位上使用他们的方法来抑制错误并模拟几乎四倍大小的量子系统。他们估计，他们的方法在70个量子位上可以等于或超过经典计算机的能力。

“这是这种方法第一次用于这种规模的系统，”波特说。

接下来的步骤包括将量子位回收应用于量子问题，例如模拟材料的特性并计算其最低能态或量子基态。