我國量子模擬計算速度將超世界最快計算機

在北京舉行的超冷原子量子模擬成果新聞發布會上，論文第一通訊作者、中國科學技術大學潘建偉院士介紹有關情況。（圖片來源：新華社）

10月11日，中國科學院宣布，我國科學家在超冷原子量子模擬領域取得重大突破。中國科學技術大學和北京大學聯合團隊在國際上首次理論提出並實驗實現超冷原子二維自旋軌道耦合的人工合成，並測定了新奇拓扑量子物性。這一成果的產出，意味著未來科研人員利用超冷原子的量子模擬技術，有望解決連世界上最快的超級計算機都算不動的復雜問題，並能對剛剛獲得2016諾貝爾物理獎的“拓扑效應”等前沿物理現象展開更加深入的探索。同時，該成果也標志著我國在超冷原子量子計算和量子模擬技術這一當今世界物理界最熱門的領域走到了國際前列。

量子計算到底是什麼？它的計算能力隨著可操縱粒子數的增多呈指數增長。中國科學技術大學的潘建偉院士稱，舉例來說，如果實現50個粒子的相干操縱，對某些特定科學問題的處理能力就要超過目前全世界最快的超級計算機“太湖之光”，因為“太湖之光”現在也不過擁有能操縱45個粒子的計算能力。如果我們能實現100個粒子的相干操縱，那麼對科研問題的處理能力將達到目前全世界計算能力總和的100萬倍。

“然而，要將通用的量子計算機造出來還需要很長時間，也許二十年或三十年。”潘建偉表示，物理學家們正在做一些特殊的事情——量子模擬。如果用目前人們使用的計算機來模擬300個原子組成的演化，需要的經典儲存空間為2的300次方，已超過宇宙中原子數目的總和，“但是，利用量子模擬，就能夠模擬出一個本來在經典計算機裡根本無法計算的東西。”

當前，量子模擬盡管不是一個通用的量子計算機，但它已經能夠在揭示高溫超導、量子霍爾效應、人工固氮、慣性約束核聚變等一些新物理、新材料機制中起到重要作用，從而解答超流、超導以及拓扑相變等凝聚態物理現象。

對於凝聚態物理學現象，目前科學界的傳統方法是利用一些現實的材料如超導材料進行相關研究，但這些材料無法避免雜質摻入。超冷原子的量子調控正好可以來解決這一問題。我國科學家們想到在可控的人造量子系統中模擬自旋軌道耦合。潘建偉說，“耦合就是原子間的相互作用。超冷原子是指原子處於接近絕對零度，在超冷原子中實現人工自旋軌道耦合被國際上認為是最有可能實現新奇物態研究突破的方法之一。具體來說，利用超冷原子，科研人員可以精確控制原子之間的相互作用，並且很好地操作原子內部的狀態，並根據研究需要來調控它們之間的相互作用，從而來有效模擬復雜的物理系統。”

“此前科學家們認為，通過10到15年的努力，人類可以實現80到100個量子比特的相干操縱，實現量子計算機的速度比全世界計算機的總和還能快100萬倍。現在我可以說，這一研究成果使我們在此方向上邁出了堅實的一步。”潘建偉說，“在這一重大成果的基礎上，未來我國在量子模擬領域還會產出源源不斷的成果。”（記者 劉歡）