量子模擬可以幫助航班按時(shí)運(yùn)行

一種強(qiáng)大的新計(jì)算形式可以幫助科學(xué)家設(shè)計(jì)用于納米電子學(xué)的新型材料，允許航空公司解決復(fù)雜的后勤問(wèn)題，以確保航班按時(shí)運(yùn)行，并解決交通擁堵問(wèn)題，以保持車輛在繁忙的道路上更自由地流動(dòng)。

雖然現(xiàn)代數(shù)字計(jì)算機(jī)具有令人印象深刻的計(jì)算能力，但即便是最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)也存在一些問(wèn)題。但研究人員認(rèn)為，利用量子力學(xué)的新計(jì)算機(jī)可以控制微觀粒子如玻色子，費(fèi)米子和任何物體的奇怪行為，可以在幾秒鐘內(nèi)解決這些問(wèn)題。

建立通用量子計(jì)算機(jī)已被證明是非常困難的，目前，只有少數(shù)昂貴的機(jī)器正在開發(fā)中。

一些科學(xué)家正采取另一種方法，建立稱為模擬量子模擬器的計(jì)算系統(tǒng)，試圖找到量子計(jì)算機(jī)承諾提供的一些答案的捷徑。

這些模擬器旨在通過(guò)模擬宇宙中最小粒子的行為來(lái)探索量子物理學(xué)的特定屬性。這反過(guò)來(lái)可以應(yīng)用于解決更廣泛世界中的復(fù)雜問(wèn)題，這些問(wèn)題目前無(wú)法解決，或者可能需要一輩子才能使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

“我真正喜歡的類比是模擬量子模擬器有點(diǎn)像風(fēng)洞，”英國(guó)斯特拉斯克萊德大學(xué)的物理學(xué)家Andrew Daley教授說(shuō)，他是PASQuanS項(xiàng)目的成員。“幾十年前，無(wú)法模擬計(jì)算機(jī)上的氣流，因此您需要建立一個(gè)比例模型并將其放入風(fēng)洞中。

'但是通過(guò)模擬量子模擬，縮放是另一種方式 - 而不是制作更小的版本，而是制作更大的版本。這使它更具可控性，因此更容易了解某些東西可能如何工作的細(xì)節(jié)。

放大

該項(xiàng)目匯集了來(lái)自歐洲各地的研究團(tuán)隊(duì)，試圖建立一些迄今為止最強(qiáng)大的模擬量子模擬器，使用原子和離子作為亞原子粒子的放大模型。

例如，已經(jīng)冷卻到絕對(duì)零度以上幾度的超冷原子可以懸浮在由激光形成的晶格中，以模擬電子如何在晶體中移動(dòng)。到目前為止，最先進(jìn)的量子模擬器在其模型中使用了大約100個(gè)超冷原子或多達(dá)20個(gè)離子，但該團(tuán)隊(duì)希望將其系統(tǒng)增強(qiáng)到擁有超過(guò)1,000個(gè)原子和多達(dá)50個(gè)離子。

戴利教授表示，這可能會(huì)使這些模擬器的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)經(jīng)典計(jì)算所能實(shí)現(xiàn)的功能，其時(shí)間尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于通過(guò)構(gòu)建通用量子計(jì)算機(jī)所能實(shí)現(xiàn)的時(shí)間尺度。

一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是使模擬器更具可控性和可編程性。參與該項(xiàng)目的研究人員正在開發(fā)控制原子的新技術(shù)，例如用激光“鑷子”捕獲它們，激發(fā)選擇原子進(jìn)入高能態(tài)或移動(dòng)它們以便它們以不同方式相互作用。

“可編程位是關(guān)于使這些系統(tǒng)高度可控，以良好校準(zhǔn)的方式，在單個(gè)晶格位置，單個(gè)離子或單個(gè)原子的水平上，”Daley教授說(shuō)。

雖然這些模擬器可以幫助物理學(xué)家解決關(guān)于量子系統(tǒng)中粒子行為的問(wèn)題，但它們也可以用來(lái)解決更大的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

例如，量子退火算法利用量子物理學(xué)的怪癖，從而在改變能量狀態(tài)時(shí)亞原子粒子，原子和較大分子可以找到阻力最小的路徑。這可以比作試圖將球滾到山上以到達(dá)另一側(cè)的更深的山谷 - 如果球沒(méi)有給予足夠的推力，它將沒(méi)有能量到達(dá)山峰并且將簡(jiǎn)單地向后滾。相比之下，量子粒子可以通過(guò)簡(jiǎn)單地穿過(guò)它們來(lái)繞過(guò)它們必須克服的能量峰值。

優(yōu)化

這種更容易找到低能態(tài)的能力意味著量子退火可用于尋找優(yōu)化復(fù)雜交通網(wǎng)絡(luò)或復(fù)雜物流鏈的方法。

“我們可以從其他地方解決問(wèn)題并將其映射到原子或離子之間的相互作用，”戴利教授說(shuō)。“然后我們就可以開始提問(wèn)，找到可能的最低能量配置。”

空中客車公司，道達(dá)爾公司，博世公司，法國(guó)電力公司(EDF)和西門子公司等大公司已經(jīng)表示有興趣探索這種方法。這些公司的研究人員正在與該項(xiàng)目合作，試圖找到可應(yīng)用于其商業(yè)運(yùn)營(yíng)的潛在應(yīng)用。

例如，在飛機(jī)上，它可以用來(lái)幫助確保飛機(jī)和航空公司機(jī)組人員在正確的位置，以便航班順利運(yùn)行。

它還可以用于快速建模在繁忙道路上重新路由交通的最佳方式，以避免擁堵和減少污染。

“我們已經(jīng)建立了一個(gè)最終用戶論壇，以獲得可以在模擬量子模擬平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題的具體想法，”戴利教授說(shuō)。“這些是業(yè)界特別感興趣的大問(wèn)題，我們可以模仿我們的系統(tǒng)。”

量子模擬器的強(qiáng)大功能不僅僅是尋找優(yōu)化過(guò)程的方法。Daley教授及其同事表示，他們量子模擬器的首批應(yīng)用之一將是幫助設(shè)計(jì)新材料，包括納米電子學(xué)和超導(dǎo)體。

這是后話了Qombs項(xiàng)目也通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)模擬量子模擬工程師的新一代材料能夠產(chǎn)生高度可調(diào)諧紅外激光的追求。現(xiàn)代激光的波長(zhǎng)或顏色由用于產(chǎn)生光的二極管中的元素決定。

但是，通過(guò)在層中生長(zhǎng)含有不同濃度金屬(如鋁，鎵和砷)的晶體，該項(xiàng)目背后的研究人員希望制造半導(dǎo)體材料，這些材料可以產(chǎn)生波長(zhǎng)不可能的激光。這些器件稱為量子級(jí)聯(lián)激光器。

激光器

意大利佛羅倫薩國(guó)家光學(xué)研究所研究員Francesco Cappelli博士說(shuō)，我們正在使用量子模擬來(lái)優(yōu)化和獲得能夠改善目前量子級(jí)聯(lián)激光器性能的新功能。 Qombs團(tuán)隊(duì)。

通過(guò)模擬電子和光子在不同結(jié)構(gòu)和金屬濃度下的表現(xiàn)，該團(tuán)隊(duì)希望能夠更好地控制器件產(chǎn)生的光的波長(zhǎng)。

如果成功，它可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生具有極長(zhǎng)波長(zhǎng)的光，這些光延伸到中紅外和遠(yuǎn)紅外線，這是目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

“這些可以用于通信，因?yàn)樵谶@些波長(zhǎng)下大氣中的氣體不能吸收光，”卡普利博士說(shuō)。“不僅大氣透明，而且與可見(jiàn)激光相比，由于濕度和灰塵引起的散射也減少了。”

將激光調(diào)諧到特定波長(zhǎng)也可以使它們用于傳感器中以檢測(cè)特定氣體，例如污染物或其他有害物質(zhì)。

例如，調(diào)諧以發(fā)射具有被二氧化氮吸收的精確波長(zhǎng)的光的量子級(jí)聯(lián)激光器可用于精確測(cè)量城市區(qū)域中的氣體水平。

“在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)具有這些特性的半導(dǎo)體晶體是不可能的，”Capelli博士說(shuō)。

量子計(jì)算的力量

在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中，信息包含在二進(jìn)制數(shù)字或位中，其中包含單個(gè)值1或0。

在量子系統(tǒng)中，亞原子粒子不僅可以存在于二進(jìn)制1或0狀態(tài)，而且它們同時(shí)具有1和0的多個(gè)組合以形成“量子比特”。由于量子比特可以同時(shí)為1,0或1和0，這意味著可以同時(shí)進(jìn)行更多的計(jì)算。

更奇怪的是，成對(duì)的量子比特也會(huì)被糾纏在一起，這樣當(dāng)一個(gè)狀態(tài)改變時(shí)，另一個(gè)狀態(tài)會(huì)隨之改變，即使它們被很遠(yuǎn)的距離分開。這種神秘現(xiàn)象以指數(shù)方式增加了量子機(jī)器的數(shù)字運(yùn)算能力。