物理學家使用的是普通計算機。先進的數學和專門的軟體來解決被描述為經典機器無法解決的困難的量子物理問題。
這項工作是由西蒙斯基金會熨斗研究所計算量子物理中心 (CCQ) 的研究人員與波士頓大學的合作者共同完成的。事實證明，他們的方法對於個人筆記型電腦上的一些計算來說足夠有效。
透過從傳統硬體中提取額外的處理能力，這種方法可以擴大科學家可以研究的量子動力學問題的範圍。它還可以為最佳化問題提供有用的策略，研究人員必須在許多可能的解決方案中找出最佳答案。
研究結果發表在期刊上。 科學。
模擬數百個相互作用的量子位元。
這項挑戰涉及對數百個相互作用的「量子位元」進行建模，這些位元」是傳統電腦使用的量子位元對。肘節排列成正方形、立方體或菱形。
典型的位元保存值 0 或 1。但是，量子位元可以以多種狀態的疊加形式存在。這項特性賦予了量子系統不同尋常的能力。但這也使得系統行為難以在經典電腦上複製。
2025 年 3 月的文章也發表於 科學另一個研究小組報告使用量子計算機來計算極其複雜的量子位元系統的動力學。團隊認為傳統計算機無法匹敵這項壯舉。
「每當我們（CCQ）看到這些類型的說法時，我們總是持懷疑態度，」CCQ 聯合研究科學家兼新《科學》論文的第一作者 Joseph Tindall 說道。 “就像，’你試過這個了嗎？你試過了嗎？’”
對於 CCQ 研究人員來說，這樣的說法提供了一個有趣的方法來測試他們的技術極限。
這個問題是一個帶來他們工具的機會。 「出去試駕一下，」研究合著者、CCQ 研究科學家 Miles Stoudenmire 說。 「我們可以選擇更理想的目標，」史塔德邁爾說。 “但事情就是這樣。‘為什麼不直接選擇這個有很多主張的產品呢？’”
量子糾纏的挑戰
最大的障礙之一是量子糾纏。當量子位元糾纏時，它們的屬性將保持連接。儘管量子位元之間的距離非常大，但情況仍然如此。因此，研究人員無法獨立模擬每個量子位元。
相反，需要複雜的演算法來描述整個系統。
「當大量粒子與量子物理相互作用時，就會有一個描述系統狀態的波函數，」廷德爾說。 “當顆粒越來越多時，這些大物體就會變得越來越大。”
波函數包含描述量子系統所需的資訊。但隨著更多顆粒的添加，它的尺寸呈指數級增加。
隨著波函數的大小呈指數級增長，「我無法將其直接儲存在電腦上，」他說。使用如此巨大的波函數是一個反覆出現的問題。但這些計算對於預測量子材料的行為是必要的。包括超導體。
壓縮巨大的量子系統
研究人員透過開發和使用新工具克服了這一障礙。基於張量網路的這些數學結構壓縮了波函數中包含的訊息，以便可以更有效地對其進行操作。
Tindall 將該方法比作“波函數的 zip 文件，您可以在其中獲取所有這些數據。並且您已將其壓縮成一個充滿微小數字表的數學數據結構。這些是相互關聯的。”
這種資料壓縮使得模擬可以在經典電腦上進行管理。廷德爾完成了第一個計算。使用 ITensor 在筆記型電腦上進行多次運算，ITensor 是 CCQ 創建的高效能張量網路軟體庫。
新的模擬也展示了 ITensor 團隊如何採用張量技術來解決新型問題。在這種情況下，研究人員創建了具有 3D 張量網路的 3D 量子動力學模型。
「這是一種非常強大的壓縮，非常有效。但它是一個非常複雜的數學對象，」廷德爾說。 「這確實是一個很小的範圍。這是因為處理這些物件——尤其是在三維空間中——是非常不受阻礙的。你需要複雜的程式碼和演算法來處理它們。這本身就是一個軟體工程挑戰。”
舊演算法找到新用途
許多模擬只需要最少的電腦資源。對於早期的計算，廷德爾使用了信念傳播。這是 20 世紀 80 年代開發的演算法，研究人員最近將其應用於量子系統。
「它比其他方法更近似一些，但成本要低得多。而且我們可以以更直接的方式解決更困難的問題，」斯塔登邁爾說。
他與「我們領域中比過去更複雜的方法」相反，「甚至無法開始解決這些三維問題，因為它非常大」。
雖然硬體很簡單，但結果卻達到了最先進的精度水準。模擬產生的解決方案與理論預測一致，並且可以很好地解決小問題。可以檢查正確答案
最重要的是，結果與先前使用量子電腦所獲得的結果一致。不同之處在於，新的計算不需要量子硬體。
經典計算機和量子計算機可以協同工作。
這項發現加劇了關於經典計算終結和量子優勢從何開始的爭論。然而，廷德爾和史塔登邁爾強調，這兩個領域並不是簡單的相互競爭。
傳統模擬可以幫助研究人員了解量子電腦的功能。同時，量子硬體的進步可以激發新的經典方法。
「經典電腦和量子電腦之間的爭論美妙之處在於，我們關心的模型和我們編寫的程式碼之間存在著許多相互作用。以及在這些量子電腦上可以實現什麼，」廷德爾說。 「這可以幫助指導我們。它也可以幫助指導量子計算研究人員。因為顯然模擬某些東西的進入壁壘對他們來說要容易得多。因為我們不需要建造一台量子計算機。我可以編寫一些代碼並在我的個人計算機上點擊“運行”。”
下一個量子模擬挑戰
研究人員現在正在開發超越僅由量子位元建構的系統的方法。下一個目標是創建一個可以在站點之間移動的電子模型。
這些系統的建模要困難得多。但這也與理解真正的量子材料直接相關。
「它們是更難以量化的問題，」史塔德邁爾說。 “這是我們想要清除的下一個大樂隊之一。”
