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)雜的后勤問題，以確保航班按時(shí)運(yùn)行，并解決交通擁堵問題，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。這反過來(lái)可以應(yīng)用于解決更廣泛世界中的復(fù)雜問題，這些問題目前無(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)中粒子行為的問題，但它們也可以用來(lái)解決更大的現(xiàn)實(shí)問題。

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 - 如果球沒有給予足夠的推力，它將沒有能量到達(dá)山峰并且將簡(jiǎn)單地向后滾。相比之下，量子粒子可以通過簡(jiǎn)單地穿過它們來(lái)繞過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，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。