量子計算機幫助我們了解量子物體的行為方式
加琳娜·內柳博娃/Unsplash
去年，我不斷向編輯講述同樣的故事：量子計算機即將對科學發現發揮作用。
當然，這始終是目標。他們的起源故事的一部分是使用量子計算機來更好地了解我們的宇宙的想法，它是 1981年 理查德·費曼的演講。在思考模仿自然的最佳方式時，他寫道：“我們可以放棄關於計算機是什麼的規則，我們可以說：讓計算機由遵守量子力學定律的量子力學元件構成。”
如今，費曼的願景已被谷歌、IBM 以及其他數十家公司和學術團體所接受。他們的設備現在被用來模擬量子水平的現實——以下是一些亮點。
對我來說，今年的量子發展始於六月擺在我辦公桌上的兩項研究，與高能粒子物理相關。兩個不同的研究小組使用兩台不同的量子計算機來模擬量子場中粒子對的行為。一個使用谷歌的 Sycamore 芯片，該芯片由微波控制的微型超導電路製成，另一個使用量子計算公司 QuEra 生產的基於激光和電磁力控制的極冷原子的芯片。
量子場編碼能量（例如電磁力）如何作用於宇宙中任何位置的粒子。它們還包含一個局部結構，該結構規定了放大任何單元格時應該看到的行為。在粒子動力學的情況下，這樣的場很難模擬——當粒子隨著時間的推移做某事並且你想讓它看起來像電影時。對於粒子物理標準模型中量子場的兩個非常簡化的版本，兩台量子計算機解決了這個確切的任務。
賈德·哈利姆 慕尼黑大學從事這一領域的工作，但沒有參與任何實驗，他們也告訴我，這些實驗的更強大的版本，在大型量子計算機上模擬更複雜的場，最終可以幫助我們了解粒子在粒子對撞機中的作用。
三個月後，我與另外兩組研究人員通了電話，再次討論了目前用於凝聚態物理的兩種類型的量子計算機。凝聚態物理學對我來說很珍貴，因為我在研究生院學習過它，但它的影響遠遠超出了這位專欄作家的愛好。這對於智能手機等日常設備的半導體技術的發展至關重要。
九月，哈佛大學和德國慕尼黑工業大學的研究人員使用量子計算機模擬了物質的兩個奇異相，這在理論上是可以預測的，但無法通過更傳統的實驗進行。事實證明，量子計算機能夠預測這些奇怪材料的特性，而迄今為止在實驗室中生長和檢查晶體還無法實現這一點。
十月份，谷歌推出的新型超導量子計算機 Willow 迎來了實際應用的可能性。研究所的研究人員及其同事使用 Willow 實現了一種算法，用於解釋核磁共振 (NMR) 光譜數據，核磁共振 (NMR) 光譜是一種常用於研究生化研究中分子的技術。
雖然該團隊用真實核磁共振數據進行的演示沒有做傳統計算機做不到的事情，但該算法的數學有望有一天超越科學機器的能力，使研究人員能夠以前所未有的細節了解分子。這種情況發生的速度取決於量子計算硬件改進的速度。
一個月後，第三種量子計算機加入了討論。一家名為 Quantinuum 的公司展示了他們的 Helios-1 量子計算機，由糾纏離子製成，可以模擬完美導電性或超導性的數學模型。由於超導體可以無損耗地導電，因此可以為高效電子產品打開大門，或者使電網更加穩定。然而，所有已知的超導體都只能在高壓或極低的溫度下工作，這使得它們不切實際。準確解釋為什麼某些材料具有超導性的數學模型是構建有用的超導體的關鍵步驟。
Helios-1 模擬了什麼？ 亨里克·德雷爾Quantinuum 的一位研究人員告訴我，也許這樣的模型很重要；自20世紀60年代以來，它就引起了物理學家的關注。雖然這種特殊的模擬並沒有提供對超導性的任何全新見解，但它確實預示著量子計算機在物理學家長期以來尋求更好地理解它們的過程中發揮著重要作用。
僅僅一個多星期後，我發現自己待命了 薩布麗娜·馬尼斯卡爾科 從算法到量子算法，該組織討論了超材料。這些材料可以通過微觀細節進行設計，從而具有天然材料所沒有的獨特性能。它們還可以為某些目的量身定制，從基本的隱形斗篷到加速反應的化學物質。
超材料也是我作為研究生所做的事情，Maniscalco 的團隊也在研究 如何模擬一個 使用由超導電路製成的 IBM 量子計算機。特別是，他們可以跟踪超材料如何擾亂信息，包括在更傳統的計算機難以應對的情況下。雖然這聽起來像是一個非常抽象的裝置，但馬尼斯卡爾科告訴我，它可以推進化學催化劑、固態電池和一些將光轉化為電能的設備的研究。
粒子物理學、物質的新相、分子研究、超導體和超材料還不夠 當我寫這篇專欄時，我得到了一些關於它的提示。 一項研究 來自美國馬里蘭大學和加拿大滑鐵盧大學的一組研究人員使用糾纏離子量子計算機來確定受強核力束縛的粒子在不同溫度和密度下的行為。其中一些行為被認為發生在中子星內部，中子星是人們知之甚少的宇宙物體，也發生在早期宇宙中。
儘管該團隊的量子計算具有與最現實的強力模型不匹配的近似值，但該研究與量子計算機正在成為發現機器的另一個物理學領域相關。
當然，即使是這些豐富的例子也有許多警告和問號。雖然與更現實的模型相比，在量子硬件上模擬的大多數數學模型都需要一些簡化和近似，但許多量子計算機會對計算結果進行後處理，以減少或消除這些錯誤，從而使計算機能夠針對基準計算機問題獲得更好的結果。荊棘依然存在。
簡而言之，傳統計算和模擬技術進步迅速且令人鼓舞的另一個領域是經典計算機和量子計算機研究人員之間的動態來回，昨天最複雜或最快的計算將不可避免地成為明天的亞軍。上個月，IBM 與其他幾家公司合作推出了公開可用的“.量子優勢追踪器”，這最終將成為一個排行榜，顯示量子計算機是否領先於傳統計算機。
但即使量子計算機永遠不會名列前茅，去年的報告仍然讓我的前任們感到興奮和期待。因為這些實驗已經將量子計算機從科學研究的主題轉變為從事科學研究的工具，而這在幾年前是不可能的。
今年早些時候，我希望寫更多關於量子計算機運行協議來證明其量子性的基準實驗，而不是解決任何有用的問題。此類計算通常有助於強調量子計算機與傳統計算機的不同之處，並強調它們執行全新任務的能力。但從那裡到對職業物理學家來說有用的計算的道路是漫長且不明確的。現在，即使很謹慎，我認為這條路可能比我預期的要短。我相信 2026 年會有更多量子驚喜等待著我。
專案:
