在單個原子的尺度上，數學看起來很奇怪。 研究人員正在努力利用量子模擬模擬器來闡明、利用和控制這種奇怪的量子效應——實驗室實驗涉及對數十到數百個原子進行過冷，并用精細調諧的激光和磁鐵對其進行探測。
科學家們希望從量子模擬器中獲得的任何新理解將為設計新的奇異材料、更智能、更高效的電子產品和實用的量子計算機提供新的藍圖。 但為了從量子模擬器中獲得觀點，科學家必須首先信任它們。
也就是說，他們必須確保他們的量子設備具有“高保真度”并準確反映量子行為。 例如，如果原子系統容易受到外部噪聲的影響，研究人員可以假設不存在量子效應。 但到目前為止，還沒有可靠的方法來表征量子模擬模擬器的保真度。
在《自然》雜志發表的一項研究中，麻省理工學院和加州理工學院的化學家報告了一種新的量子現象：他們發現原子的量子漲落具有一定的隨機性物理實驗模擬器，而這些隨機行為表現出一種普遍的、可預測的模式。 隨機行為和可預測行為聽起來像是一個矛盾。 但該團隊否認個體隨機波動確實可以遵循可預測的統計模式。
更重要的是，研究人員使用這些量子隨機性作為工具來表征量子模擬模擬器的保真度。 他們從理論上和實驗上表明物理實驗模擬器，他們可以通過剖析量子模擬器的隨機波動來確定其準確性。
該團隊開發了一種新的基準合約，可應用于現有的量子模擬模擬器，以判斷其量子漲落模式的保真度。 該合同有助于加速新奇材料和量子計算系統的開發。
研究合著者、麻省理工學院數學系助理院長 Choi 表示：“這項工作將以極高的精度表征許多現有的量子器件?！? “這還表明，混沌量子系統的隨機性背后存在著比我們想象的更深層次的理論結構。
這項研究的作者包括麻省理工學院的研究生馬克以及加州理工學院、喬治亞大學厄巴納-香檳分校、耶魯大學和加州理工學院伯克利分校的合作者。
隨機進化
這項新研究的推動力來自微軟 2019 年的一項進展，其中研究人員構建了一款名為“”的數字量子計算機，可以比經典計算機更快地進行某些計算。
經典計算機中的計算單位是“位”，可以是 0 或 1，而量子計算機中的單位（稱為“量子位”）可以以多種狀態的疊加形式存在。 當多個量子位相互作用時，理論上它們可以運行特殊算法，以比任何經典計算機更短的時間解決難題。
微軟研究人員設計了一個以 53 個量子位為代表的超導分支電路系統，并表明“計算機”可以執行某些即使對于世界上最快的超級計算機來說也很困難的計算。
微軟也恰好表明它可以量化系統的保真度。 通過隨機改變單個量子位的狀態，并將所有 53 個量子位的結果狀態與量子熱原理的預測進行比較，他們能夠測試系統的準確性。
Choi 和他的朋友們想知道他們是否可以使用類似的隨機方法來判斷量子模擬模擬器的保真度。 但他們必須克服一個障礙：與微軟的數字量子系統不同，模擬模擬器中的單個原子和其他量子位明顯不可操縱，因此是隨機控制的。
但通過一些理論建模，崔意識到，通過簡單地允許量子位自然演化，可以在模擬量子模擬器中重現在微軟系統中單獨操縱量子位的集體效應。
“我們發現了為什么我們必須設計這些隨機行為，”崔說。 “無需微調，我們就可以讓量子模擬器的自然動力學得以發展，其結果將是一種類似于混沌引起的隨機模式。
建立信任
作為一個極其簡單的例子，想象一個由五個量子位組成的系統。 每個量子位可以同時作為 0 或 1 存在，直到進行檢測為止，之后量子位進入一種狀態或另一種狀態。 對于任何一項測試，量子位都可以采用 32 種不同組合之一：0-0-0-0-0、0-0-0-0-1 等。
Choi 解釋說：“這 32 種配置的出現概率分布應該類似于統計數學的預測?！? “我們表明他們平均一致，但存在錯誤和波動，顯示出我們不知道的一般隨機性。隨機性看起來就像你運行微軟所做的這些隨機操作。
研究人員假設，如果他們能夠開發出一種數值模擬來準確地表示量子模擬器的動力學和普遍隨機漲落，他們將能夠將預測結果與模擬器的實際結果進行比較。 兩者越接近，量子模擬器就必須越準確。
為了測試這個想法，Choi 與加州理工學院的實驗人員合作，設計了一個由 25 個原子組成的量子模擬模擬器。 在實驗中，化學家照射激光使原子集體破裂，然后讓量子位隨著時間的推移相互作用并自然演化。 他們在多次運行中檢查了每個量子位的狀態，總共收集了 10,000 次檢查。
Choi 和朋友們還開發了一個數值模型來表示實驗的量子動力學，并結合他們推導出的多項式來預測應該發生的一般隨機波動。 然后，研究人員將他們的實驗檢測結果與模型的預測進行了比較，并觀察到了密切的匹配——有力的證據表明這些特定的模擬器可以被認為反映了純粹的量子熱行為。
更廣泛地說，這一結果展示了一種表征幾乎任何現有量子模擬模擬器的新方法。
Choi 說：“表征量子組件的能力為構建越來越大、更精確和更復雜的量子系統提供了基本的技術工具?！? “使用我們的工具，人們可以判斷他們是否正在使用他們可以信任的系統。
更多信息： ，預期隨機狀態和多體量子混沌基準， (2023)。 DOI：10.1038/-022-05442-1。
出版信息：自然