我国量子模拟计算速度将超世界最快计算机

在北京举行的超冷原子量子模拟成果新闻发布会上，论文第一通讯作者、中国科学技术大学潘建伟院士介绍有关情况。（图片来源：新华社）

10月11日，中国科学院宣布，我国科学家在超冷原子量子模拟领域取得重大突破。中国科学技术大学和北京大学联合团队在国际上首次理论提出并实验实现超冷原子二维自旋轨道耦合的人工合成，并测定了新奇拓扑量子物性。这一成果的产出，意味着未来科研人员利用超冷原子的量子模拟技术，有望解决连世界上最快的超级计算机都算不动的复杂问题，并能对刚刚获得2016诺贝尔物理奖的“拓扑效应”等前沿物理现象展开更加深入的探索。同时，该成果也标志着我国在超冷原子量子计算和量子模拟技术这一当今世界物理界最热门的领域走到了国际前列。

量子计算到底是什么？它的计算能力随着可操纵粒子数的增多呈指数增长。中国科学技术大学的潘建伟院士称，举例来说，如果实现50个粒子的相干操纵，对某些特定科学问题的处理能力就要超过目前全世界最快的超级计算机“太湖之光”，因为“太湖之光”现在也不过拥有能操纵45个粒子的计算能力。如果我们能实现100个粒子的相干操纵，那么对科研问题的处理能力将达到目前全世界计算能力总和的100万倍。

“然而，要将通用的量子计算机造出来还需要很长时间，也许二十年或三十年。”潘建伟表示，物理学家们正在做一些特殊的事情——量子模拟。如果用目前人们使用的计算机来模拟300个原子组成的演化，需要的经典储存空间为2的300次方，已超过宇宙中原子数目的总和，“但是，利用量子模拟，就能够模拟出一个本来在经典计算机里根本无法计算的东西。”

当前，量子模拟尽管不是一个通用的量子计算机，但它已经能够在揭示高温超导、量子霍尔效应、人工固氮、惯性约束核聚变等一些新物理、新材料机制中起到重要作用，从而解答超流、超导以及拓扑相变等凝聚态物理现象。

对于凝聚态物理学现象，目前科学界的传统方法是利用一些现实的材料如超导材料进行相关研究，但这些材料无法避免杂质掺入。超冷原子的量子调控正好可以来解决这一问题。我国科学家们想到在可控的人造量子系统中模拟自旋轨道耦合。潘建伟说，“耦合就是原子间的相互作用。超冷原子是指原子处于接近绝对零度，在超冷原子中实现人工自旋轨道耦合被国际上认为是最有可能实现新奇物态研究突破的方法之一。具体来说，利用超冷原子，科研人员可以精确控制原子之间的相互作用，并且很好地操作原子内部的状态，并根据研究需要来调控它们之间的相互作用，从而来有效模拟复杂的物理系统。”

“此前科学家们认为，通过10到15年的努力，人类可以实现80到100个量子比特的相干操纵，实现量子计算机的速度比全世界计算机的总和还能快100万倍。现在我可以说，这一研究成果使我们在此方向上迈出了坚实的一步。”潘建伟说，“在这一重大成果的基础上，未来我国在量子模拟领域还会产出源源不断的成果。”（记者 刘欢）