化學學家早已創造了一種新型的模擬量子計算機，才能解決最強悍的數字超級計算機難以解決的挑戰性化學問題。來自德國哈佛學院和英國曼徹斯特學院大學（UCD）的科學家團隊在《自然-化學學》雜志上發表的一項突破性研究顯示，一種新型的高度專業化的模擬計算機，在其電路中配備了量子組件，才能解決量子化學學中的復雜問題，這種問題曾經是難以解決的。
若果這種設備才能擴大規模，它們有可能為數學學中一些最重要的未解決的問題提供看法。
比如，科學家和工程師常年以來仍然在尋求對超導性的深入理解。目前量子物理如何改變世界，超導材料，如用于核磁共振儀、高速動車和節能長距離電力網路的材料量子物理如何改變世界，只在極低的氣溫下發揮作用，妨礙了其更廣泛的應用。材料科學的最終目標是發覺在溫度下表現出超導性的材料，這將徹底改變它們在諸多技術中的應用。
新的量子模擬器的顯微合照，其特征是在一個電子電路中嵌入兩個耦合的納米大小的金屬半導體器件。
安德魯-米切爾博士是UCD量子工程、科學和技術中心（C-QuEST）的校長，UCD化學大學的理論化學學家，也是該論文的共同作者。他說。"個別問題實在是太復雜了，雖然是最快的數字精典計算機也未能解決。低溫超導體等復雜量子材料的精確模擬就是一個十分重要的事例--這些估算遠遠超出了目前的能力，由于模擬現實模型的特點須要指數級的估算時間和顯存。"
安德魯-米切爾博士是阿姆斯特丹學院大學的理論化學學家，擁有美國研究委員會的桂冠獎，是UCD量子工程、科學和技術中心（C-QuEST）的校長。資料來源：UCD媒體：文森特-霍本的相片
"但是，推進數字革命的技術和工程進展帶來了在納米尺度上控制物質的前所未有的能力。這使我們就能設計專門的模擬計算機，稱為'量子模擬器'，通過借助其納米級組件的固有量子熱學特點來解決量子化學學中的特定模型。其實我們還不能構建一個具有足夠功率的多用途可編程量子計算機來解決數學學中的所有開放問題，但我們如今能做的是構建具有量子組件的訂制模擬設備，可以解決特定的量子化學問題。"
這種新的量子設備的構架涉及到列入納米電子電路的混和金屬半導體器件，是由哈佛學院、UCD和能源部的SLAC國家加速器實驗室（坐落哈佛學院）的研究人員設計的。由David-院長領導的哈佛學院實驗納米科學小組建造并操作了該裝置，而理論和建模工作則由UCD的博士完成。
-院長是哈佛材料和能源科學研究所的研究員，他說。"我們總是在做物理模型，希望能抓牢我們感興趣的現象的本質，但即便我們相信它們是正確的，它們常常也未能在合理的時間內解決。"
有了量子模擬器，"我們有了這種可以轉動的旋鈕，這在原先是沒有的，"戈德哈伯-戈登院長說。
為何是模擬？
-說，這種模擬設備的基本理念是為你想要解決的問題構建一種硬件類比，而不是為一個可編程的數字計算機編撰一些計算機代碼。諸如，假定你想預測夜空中行星的運動和日全食的時間。你可以通過建立一個太陽系的機械模型來做到這一點，有人轉動曲柄，旋轉的聯鎖蝸桿代表月亮和行星的運動。事實上，這樣的機制是在法國一個島嶼海對岸的唐代沉沒中發覺的，可以溯源到2000多年前。這個裝置可以被看作是特別初期的模擬計算機。
不容忽略的是，模擬機甚至在20世紀末還被拿來進行物理估算，這種估算對于當時最先進的數字計算機來說太難了。
但要解決量子化學問題，設備須要涉及量子組件。新的量子模擬器構架涉及帶有納米級器件的電子電路，這種器件的特點受量子熱學定理的掣肘。重要的是，許多這樣的組件可以被制造下來，每一個組件的行為都與其他組件基本相同。這對于模擬仿真量子材料至關重要，電路中的每位電子器件都是被模擬的原子的代理，其行為如同一個"人造原子"。正如材料中同一類型的不同原子的行為是相同的一樣，模擬計算機的不同電子器件也必須這么。
為此，新的設計提供了一個奇特的途徑，可以將該技術從單個單元擴充到就能模擬大量量子物質的小型網路。據悉，研究人員表明，新的微觀量子互相作用可以在這些設備中被設計下來。這項工作是朝著開發新一代可擴充的固態模擬量子計算機邁出的一步。
為了證明使用她們新的量子模擬器平臺進行模擬量子估算的能力，研究人員首先研究了一個由兩個量子器件耦合在一起的簡單電路。
該裝置模擬了一個由奇異的量子互相作用耦合在一起的兩個原子的模型。通過調整電流，研究人員才能形成一種新的物質狀態，其中電子雖然只具有其一般電荷的1/3--所謂的"Z3準分子"。那些無法飄忽的狀態已被提議作為未來拓撲量子估算的基礎，但之前未曾在實驗室的電子設備中創造過。
米切爾博士說："通過將量子模擬器從兩個組件擴充到許多納米大小的組件，我們希望我們就能對當前計算機難以處理的更復雜的系統進行建模。這可能是最終解開我們量子宇宙中一些最令人困擾的謎題的第一步。"
