长期以来，物理学家一直在追求用计算机模拟量子粒子的想法，而计算机本身是由量子粒子组成的。这正是 Forschungszentrum Jülich 的科学家与斯洛文尼亚的同事一起所做的。
他们使用量子退火器对现实生活中的量子材料进行建模，并表明量子退火器可以直接反映材料中电子的微观相互作用。
其结果是该领域的重大进步，展示了量子计算在解决复杂材料科学问题方面的实际适用性。此外，研究人员还发现了可以提高量子存储设备的耐用性和能源效率的因素。研究结果已发表在《自然通讯》上。
在1980年代初期，理查德·费曼（Richard Feynman）询问是否有可能使用经典计算机准确地模拟自然。他的回答是：不。世界由量子物理学原理描述的基本粒子组成。计算中必须包含的变量呈指数级增长，甚至将最强大的超级计算机推向极限。相反，费曼建议使用一台本身由量子粒子组成的计算机。凭借他的远见卓识，费曼被许多人认为是量子计算之父。
Forschungszentrum Jülich的科学家与斯洛文尼亚机构的同事一起，现在已经证明这一愿景实际上可以付诸实践。他们正在研究的应用是所谓的多体系统。这种系统描述了大量相互作用的粒子的行为。
在量子物理学的背景下，它们有助于解释超导性或绝对零度下的量子相变等现象。在 0 开尔文的温度下，当磁场等物理参数发生变化时，只会发生量子涨落，而不是热涨落。
“研究量子材料的一个挑战是定量测量和模拟多体系统的相变，”斯洛文尼亚约瑟夫·斯特凡研究所的Dragan Mihailović解释说。在这项研究中，科学家们研究了量子材料1T-TaS2，应用范围广泛，包括超导电子和节能存储设备。
Jülich超级计算中心的Jaka Vodeb描述了这种方法，“我们将系统置于非平衡状态，并通过实验和模拟观察固态晶格中的电子如何在非平衡相变后重新排列。
所有计算均使用 D-Wave 公司的量子退火器进行，该退火器已集成到 JUNIQ 的 Jülich 量子计算统一基础设施中。
研究人员可以成功地模拟从温度驱动到嘈杂的量子涨落主导动力学的交叉。此外，科学家们证明，量子退火器的量子比特互连可以直接反映量子材料中电子之间的微观相互作用。量子退火器中只有一个参数需要修改。结果与实验结果非常吻合。
但这项研究也有实际应用。例如，对 1T-TaS 有更深入的了解2基于存储设备可以导致直接在量子处理单元 （QPU） 上实现的实用量子存储设备。此类设备有助于开发节能电子设备，从而显着降低计算系统的能耗。
该研究突出了量子退火器在解决实际问题方面的潜力，为其在密码学、材料科学和复杂系统仿真等各个领域的更广泛应用铺平了道路。此外，这些发现对节能量子存储设备的发展具有直接意义。
更多信息：Jaka Vodeb 等人，二维电子晶体和量子退火器中的非平衡量子域重构动力学，Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-49179-z
期刊信息： Nature Communications
发布于：甘肃省