物理模拟量子计算机能够解决谜团

物理学家发明了一种新型的物理模拟量子计算机能够解决困难最强大的数字超级计算机无法解决的问题。

一项新的研究发表在自然物理通过合作来自斯坦福大学的科学家在美国和爱尔兰都柏林大学学院(UCD)已经表明,高度专业化的新型模拟计算机,量子组件的电路特性,可以从量子物理学的前沿解决问题以前鞭长莫及。扩大时,这些设备可能会揭示一些最重要的物理学中尚未解决的问题。

例如,科学家和工程师们一直想更好地了解超导,因为现有的超导材料,比如那些用在核磁共振成像机器,高速火车和长途节能电网——目前只有在极低的温度下操作,限制其广泛使用。材料科学的圣杯是找到室温超导材料,这将彻底改变他们的使用的技术。

主任安德鲁米切尔博士UCD量子中心工程、科学和技术(C-QuEST)UCD物理学院理论物理学家、该论文的作者之一。他说:“某些问题太复杂,即使是最快的经典数字计算机来解决。准确模拟复杂的量子材料,如高温超导体是一种很重要的例子——的计算是远远超出目前的能力,因为指数计算时间和内存需求需要模拟现实的模型的属性。

“然而,技术和工程的进步推动了数字革命带来了前所未有的控制物质在纳米尺度上的能力。这使得我们设计专门的模拟计算机,称为“量子模拟器”,解决特定量子物理模型利用固有的量子力学性能的纳米级组件。虽然我们尚未能建立一个通用的可编程量子计算机有足够的力量来解决所有的物理开放问题,我们现在可以做的是构建定制的模拟设备与量子组件可以解决特定量子物理学的问题。”

这些新的量子设备的架构包括奈米电子电路、混合金属半导体接触组件合并到一个斯坦福大学的研究者们设计的,UCD和能源部SLAC国家加速器实验室(位于斯坦福大学)。斯坦福大学纳米科学实验小组,由教授David goldhaber - gordon建造和运营设备,而理论和造型是由在UCD米切尔博士。

goldhaber - gordon教授,斯坦福研究所研究员原材料和能源科学,说:“我们总是做数学模型,我们希望将捕获的本质现象我们感兴趣的,但即使我们相信他们是正确的,他们经常没有在合理的时间内可以解决的。”

量子模拟器,“我们有这些旋钮把之前没有人过,”教授goldhaber - gordon说。

为什么模拟?

这些模拟设备的基本思想,goldhaber - gordon说,是建立一种硬件类比你想解决的问题,而不是编写一些可编程数字计算机的计算机代码。例如,假设你想预测在夜空中行星的运动和日食的时间。你可以通过构造一个太阳能系统的力学模型,,有人把曲柄旋转联锁齿轮代表月亮和行星的运动。事实上,这种机制在一个古老的沉船被发现希腊岛海岸的早2000多年。这个设备可以被视为一个非常早期的模拟计算机。

不容忽视的,类似的机器甚至到20世纪末用于数学计算,太难了当时最先进的数字计算机。

但解决量子物理学问题,设备需要涉及量子组件。新的量子模拟器架构涉及电子电路与纳米级组件的属性是由量子力学定律。重要的是,许多这样的组件是可以伪造的,每个人的行为本质上是相同的。这对仿真模拟量子材料是至关重要的,其中每个电子元件的电路模拟的是一个原子的代理,和行为像一个“人造原子”。就像不同的原子相同类型的材料的行为完全相同,所以也必须不同模拟计算机的电子元件。

新的设计因此提供了一个独特的途径来扩大技术从个体单位大型网络模拟大部分量子物质的能力。此外,研究人员表明,新的微观量子交互可以在这样的设备。工作是一个一步发展新一代的可伸缩的固态量子计算机模拟。

量子第一

演示模拟量子计算的力量使用他们的新量子模拟器平台,研究人员首先进行一个简单的电路包括两个量子组件耦合在一起。

两个原子的设备模拟模型耦合在一起有一种特殊的量子相互作用。通过调优电电压,研究人员能够产生一个新的状态的物质中电子似乎只有平时的1/3部分电荷——所谓的“Z3 parafermions”。这些难以捉摸的状态已经被提议作为未来的拓扑量子计算的基础,但从未在实验室里创造了一种电子装置。

“通过扩大量子模拟器从两个到许多纳米级组件,我们希望能模型更复杂的系统,目前的计算机无法处理,”米切尔博士说。“这可能是最后的第一步瓦解我们的一些最令人费解的谜团量子宇宙。”