最新路线图量子模拟中的实用量子优势

　　英国思克莱德大学（University of Strathclyde）与多国学者共同撰写的一篇论文中，列出了量子模拟的未来方向路线图。7月27日以《量子模拟中的实用量子优势》为题[1]发表在《自然》期刊上。
　　01
　　量子模拟：短期有望实现＂实用量子优势＂
　　量子计算机是非常强大的设备，其速度和计算能力远远超出了经典计算。
　　量子计算的不断发展已经达到了在特定问题上比经典计算机更有优势的地步。它未来可能会在广泛的领域得到应用。一类很有前途的问题涉及量子系统的模拟，其潜在的应用包括开发电池、工业催化和固氮的材料。
　　这篇发表在《自然》期刊上的论文探讨了在模拟（analogue）和数字平台上进行量子模拟的近期和中期可能性，以帮助评估这一领域的潜力。 它由来自思克莱德大学、马克斯-普朗克量子光学研究所、慕尼黑路德维希-马克西米利安大学、慕尼黑量子科学与技术中心、因斯布鲁克大学、奥地利科学院量子光学和量子信息研究所，以及微软公司的研究人员共同撰写。
　　Andrew Daley
　　思克莱德大学物理系的Andrew Daley教授是该论文的第一作者。他说：＂近年来在模拟和数字量子模拟取得了大量令人兴奋的进展，量子模拟是量子信息处理中最有前景的领域之一。无论是在算法开发方面，还是在国际上有明显先进的模拟量子实验，它都已经相当成熟。＂
　　＂在计算历史上，经典的模拟计算和数字计算共存了半个多世纪，并正逐渐向数字计算过渡，我们预计随着量子模拟也会发生同样的事情。作为沿着这项技术发展的下一步，现在有必要讨论‘实用量子优势’——即量子设备将解决传统超级计算机无法解决的实际问题。量子计算机的许多最有前途的短期应用都属于量子模拟的范畴：对微观粒子的量子特性进行建模，这与理解现代材料科学、高能物理和量子化学直接相关。＂
　　量子模拟器概述。理解真实的和有前途的材料的物理特性（描绘的是一块磁铁，当这块磁铁足够冷时可以漂浮在超导体上面）往往需要理论模型，这样的模型可以将材料视为相互作用的粒子的刚性晶格（rigid lattice，用蓝色和红色描述），但即使是这些模型也可能过于复杂而无法精确计算。这些计算任务的范围可以映射到可编程的量子模拟器上，用数字和模拟手段来处理这些问题，就像经典空气动力学使用风洞与数字计算相结合一样。这类问题可以在容错的数字量子计算机上解决（在最右边以电路形式显示，其中线条对应单个量子比特，方框代表量子比特间的操作）；或者我们可以在量子模拟器中建立一个问题的比例模型（在右边描述为一个原子阵列，蓝色和红色代表不同的元素，被困在一个灰色表示的光晶格中）。一系列可编程的量子模拟器正在开发，希望提高模拟设备的可编程性，并将其与变分数字算法相结合。通过从量子模拟器中收集信息，我们可以建立更好的模型或获得对模拟材料的新理解。
　　量子模拟器相对于经典模拟的量子优势。未来的容错数字量子模拟将能够以非常小的错误计算动力学，由实现时间演化计算的方法控制。尽管模拟量子模拟随着时间的推移会受到退相干和校准错误传播的影响，但这些错误的积累要比最好的经典模拟慢得多；一旦达到极限，错误通常会呈指数级增长。
　　＂量子模拟在未来应该可以在容错数字量子计算机上实现，具有更高的灵活性和精确度，但今天也已经可以通过特殊用途的模拟量子模拟器对特定模型进行模拟。这种研究类似于空气动力学的研究：可以在风洞中进行，也可以通过数字计算机上的模拟进行。空气动力学通常使用一个较小规模的模型来理解大的东西，而模拟量子模拟器通常使用一个较大规模的模型来理解更小的事物。＂
　　＂模拟量子模拟器现在正从提供物理现象的定性演示转变为本地问题提供定量解决方案。近期一个特别令人兴奋的前进方向是开发一系列可编程的量子模拟器，将数字和模拟技术混合起来。这拥有巨大的潜力，因为它结合了双方的最佳优势，利用本地模拟操作产生高度纠缠的状态。＂
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　　在未来的几十年里，我们预计在模拟和混合设备上的更大规模、经过验证和定量控制的模拟将继续发挥重要作用，而可扩展的容错量子模拟器将被开发出来，提供自由编程模型和指定精度的访问。
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　　02
　　思克莱德大学的量子战略
　　思克莱德大学和本文的所有合作伙伴都有大型项目，涉及架构和算法理论，以及模拟量子模拟和数字量子计算的平台开发。作为＂地平线2020＂（Horizon 2020）欧盟量子技术旗舰项目PASQuanS的一部分[2]，这些合作伙伴一直在进行合作。在思克莱德大学，该领域的研究被纳入到英国的国家量子技术计划中，并获得了英国研究与创新部门的大量资助。
　　目前，由思克莱德大学与格拉斯哥市议会、苏格兰企业局、苏格兰企业家协会和格拉斯哥商会共同推动的一项倡议——＂量子技术集群＂（Quantum Technology Cluster）已经入驻格拉斯哥城市创新区。
　　量子技术集群致力于实现全球量子技术产业化，吸引企业共同进驻、加速增长、提高生产力，并拥有思克莱德大学的世界级研究技术和人才。
　　参考链接：
　　[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04940-6
　　[2]https://www.sciencedaily.com/releases/2022/07/220729173217.htm