Google最新量子材料模拟研究,推进通用量子运算的发展

Google披露了他们在模拟量子材料任务中的两大进展,第一是他们在一维系统中,精确地计算电子特性,像是电流或是电导,而第二项进展则是将描述电子交互作用的Fermi-Hubbard模型,映射到量子处理器中。这两个研究代表了量子系统,已经具备能够模拟实际应用复杂系统的能力。

第一项进展的工作重点,在于模拟像是细导线这样一维导体上的电子特性,研究人员通过在Sycamore处理器上构建出18量子位元的循环,来模拟非常细的导线。研究人员计算出导线的电子能带结构(Band Structure),而该结构描述了金属中电子的能量和动量,Google提到,尽管这18量子位元的算法,由1,400个逻辑运算组成,但是在当前的设备上,已经能实现低于1%的总误差。

在第二项进展,研究的焦点在于电子的交互作用。粒子间的交互作用会产生新的现象,像是高温超导体或是自旋电荷分离(Spin–Charge Separation),而要捕捉这类型的行为,最简单的模型被称为Fermi-Hubbard模型,在金属等材料中,原子核会形成晶格,电子在晶格间跳跃产生电流,而为了精确模拟这些系统,还必需要考虑电子彼此靠近时的排斥力。

Fermi-Hubbard模型中通过电子的跳跃率和排斥强度两个参数,来计算此物理现象,而研究人员将这两个参数,映射到处理器量子位元上的逻辑运算,利用这些运算来模拟电子电荷和自旋密度。研究人员提到,他们所计算出来的结果,可以作为超导体量子位元模拟量子材料的基准。

虽然量子处理器的运算与解决问题的能力,毋庸置疑一定是高于古典方法,但是这些工程平台要被能够实际使用,必需要提供超过当前古典方法的运算准确性,在Google的第一项实验中,量子处理器展现了极高的精确性,而在第二项研究中,研究人员展示将实际电子交互模型嵌入量子处理器中。这两个实验结果有助于量子处理器,完成超越古典运算水准的目标。