互动科普

虽然距技术上完全成熟的量子计算机仍很遥远，但是一些能够模拟量子系统的量子模拟器已经显示出独特作用。

撰文：杰夫·布鲁姆菲尔（Geoff Brumfiel） 翻译：王栋

2012年7月，高能物理学家宣布，发现了期待已久的希格斯玻色子。这是近几十年来，高能物理学领域中最重大的发现，这让数千名参与这项工作的研究人员，终于可以扬眉吐气了。然而，从某种意义上来说，其实已经有人抢在他们之前取得这项成就了。

就在发现希格斯粒子的前几个月，一个由9位物理学家组成的研究组做了一项实验，他们将高纯度的铷87原子蒸气冷却到接近绝对零度，并用激光束将这些原子排列成网格结构。接下来，研究人员小心地调节温度，直到这些原子接近一个临界“相变点”（两种不同状态或行为之间的转化点，例如液态水和固态冰之间的转化）。通过观察处于变化中的原子网格，研究人员发现了一种不寻常的、转瞬即逝的能量波。从数学角度来说，这种现象同希格斯粒子在对撞机上的产生和衰变是相同的。

“但这和希格斯粒子并不完全一样，”这项研究的领导者，德国马普量子光学研究所（Max Planck Institute for Quantum Optics）的伊曼纽尔·布洛赫（Immanuel Bloch）解释说。至少，这些铷87原子只在二维平面内运动，而希格斯粒子的运动区域是三维的。不过，该实验仍然对粒子物理学家有所帮助，因为它给科学家提供了一条全新的途径，去探索希格斯粒子背后的复杂量子场论。

不仅如此，该实验还将布洛赫及其研究组，推到了“量子模拟”（一个迅速发展的领域）研究领域的前沿。一般来说，量子模拟是利用一个有序系统（例如原子网格），来模拟一个较复杂的系统，例如某种新粒子或高温超导体。这类复杂系统的行为是无法以人为方式来描述的，即便世上运行速度最快的超级计算机也都无法模拟它们。

“量子模拟器”是“量子计算机”的一个较小分支。量子计算机的设想已经提出了30多年，这类计算机能处理从复杂建模到破解密码在内的几乎所有任务。量子模拟器和量子计算机的共同点是，它们都依据量子力学的原理来运行，不同之处在于运算能力。量子计算机是多用途计算设备，能够运行任意程序和算法；而量子模拟器则须专门设置，来处理我们面临的某个问题。此外，目前的量子模拟器不仅难以操控，而且也无法解决所有问题，不过同量子计算机相比，建造一个量子模拟器要容易得多。研究人员认为，量子模拟器至少可以解决一些其他任何经典方法都无能为力的量子问题。

“囚禁”离子

量子物理世界里充斥着各式各样的定理，但有一条不成文的定理，是在任何教科书上都找不到的：如果你想吸引别人的眼球，那就告诉别人，你的设想是从理查德·费曼（Richard Feynman）那儿得来的。

费曼是20世纪中叶最伟大的理论物理学家。 1981年，他应邀在麻省理工学院做一次重要演讲，在此期间提出了量子模拟的概念。演讲过程中，他决定探讨一下如何用计算机来模拟物理学，包括物理学的核心问题：计算机的运行是确定性的，而在基础物理学层面上，自然界却是由几率来决定。他知道，根据量子力学理论，粒子很少处于某一个特定状态，而更多是同时处于几个态的“叠加”状态。只有当我们对其进行观测，这种奇异的“矛盾”状态，才会依据统计理论自动破除。

费曼说，在普通计算机里编程模拟一个电子的概率行为并不难，但问题在于，粒子并不是单独存在的。在量子系统里，粒子的概率行为是相互联系的，或者说是“相关”的。这种相关性意味着，我们必须分别计算所有可能的粒子组合态，这样一来，计算的复杂性就会呈指数上升。拥有三个电子的系统具有八种可能的组合态，因此，我们需要计算八种可能性；而300个电子具有的组合态数目，已经同已知宇宙中原子的总数相当了。

在演讲的大部分时间里，费曼都在谈论如何寻找解决这一难题的方法。他总结到，用普通计算机几乎是不可能的，但还有另外一种潜在途径：建造一种基于几率运算的计算机。费曼称之为“量子模拟器”，无论你要模拟什么系统，这种模拟器都可以做到非常接近那种系统。它不需要计算每一种可能的结果，而仅仅是重建它们的几率范围。量子模拟器会给出多个而不是一个解，并且根据每一个解出现的可能性，生成一幅几率图，以表现这个复杂系统的行为。虽然没有进行过计算，但费曼断言：“几乎所有量子体系的一切行为，都显然能用自旋或其他东西的‘网格’结构来模拟。”

在费曼做这个演讲的时候，上述“网格”还不存在。量子系统极其脆弱，几乎同外界的任何相互作用，都会破坏系统中脆弱的相干性。因此我们需要使粒子足够孤立，来保证模拟的顺利进行；同时，相互作用又要足够强，让物理学家可以读取结果。这一技术的实现耗时30年，目前，物理学家已经实现了好几种途径：布洛赫的研究组使用中性原子，其他研究组则将电磁场和激光相结合，用以“囚禁”较轻的离子化原子（例如铍）；还有一种技术是控制超导微电路中的电流旋涡；第四种方式则是利用在微观波导中运动的光子。

以上这些技术的模拟能力都在迅速提高。美国国家标准技术研究所约翰·博林杰（John Bollinger）领导的一个研究组，于2012年4月研制出了一个由数百个束缚粒子组成的二维系统，能够模拟一种量子磁性 。博林杰介绍说，对于已经可以用经典计算机模拟的弱磁场来说，这部量子模拟器运行起来表现还不错。现在，经过了一些改进后，他希望能够模拟强磁场，这是最强大的超级计算机也无法完成的任务。

与此同时，布洛赫正在考虑使用中性原子模拟器，模拟比希格斯粒子更复杂的行为。例如，他构建的铷原子网格能够模拟一种复杂材料——高温超导体。与传统超导体相比，这些具有高临界温度的材料，能够使内部的电子在高得多的温度上无阻碍传导，然而其内在的原因，却困扰了人们几十年。理论学家竞相建立了许多候选模型，试图解释这种现象，却没有办法来验证这些模型：由于超导体中的电子难以隔离，所以很难对其进行研究。于是，布洛赫希望用原子来代表电子。通过改变纵横交错的激光束的强度，研究人员能让原子从网格中的一点隧穿（指微观粒子能够穿过本来无法通过的“墙壁”现象，这是因为微观粒子具有波动性，有不为零的概率穿过位势障壁）到另一点，这一过程就能够模拟高温超导材料中电子穿过原子网格的运动。在高温超导理论中，至少有一部分能够用布洛赫的设备来进行验证。

量子模拟器甚至还能模拟非量子领域的问题，例如蛋白质的折叠，要完成这一模拟过程，科学家需要做海量的计算。最近，一个由加拿大D波系统公司和美国哈佛大学的研究人员组成的团队，通过数学手段，试图利用一个由128个电流环组成的量子系统（位于一个超导体芯片上），解决蛋白质的折叠问题。在这个量子系统中，每个电流环都能以顺时针、逆时针方向旋转，或者处于同时在两个方向上旋转的叠加态上，但该量子系统的表现并不尽如人意：在解决一个蛋白质折叠问题的测试中，这个系统找到正确、能经实验确认的结果的几率，只有万分之十三。即便如此，哈佛大学的理论化学家，也是这篇论文作者之一的阿兰·阿斯普鲁－古奇克（Alán Aspuru-Guzik）评价说：“在我看来，只要有这种可能性，就已经很了不起了。”

模拟光合作用

虽然科学家已经取得了一些技术进步，然而，目前的量子模拟器最多只能说是接近费曼最初的设想。因为成熟的量子计算机应该是“通用”的，能够执行任何量子算法，并能够模拟我们可以想到的任何量子系统。自从费曼提出量子模拟观念以来，研究人员就一直在研究这一设备的各种应用潜能，其中以美国数学家彼得· 肖尔（Peter Shor，现供职于麻省理工学院）的工作最为重要。他于1994年设计了一种算法，让量子计算机成为一种强大的解码器，随后，科学家又设计出了其他的量子算法。这些工作吸引了许多科学家（以及一些情报机构）来研究量子计算，并触发了研制这种设备的热潮。

尽管人们心里清楚，要建造一种强大的、多用途的量子计算机绝非易事，就像费曼所设想的，能够同时操控数千或数百万个原子的量子计算机，确实难以实现。目前大多数量子系统都面临着尺寸和操控之间的矛盾，例如，布洛赫能在他的激光网格中操控数十万个原子，但在这种情况下，他就无法单独设置原子的量子态。其他研究人员虽然能更好地控制单个原子，但是他们使用的方法是“囚禁”铍离子，只能以较高的精度处理为数不多的原子。除此之外，研究人员还要时刻面对无处不在的外界干扰问题，它们会破坏脆弱的量子态，即使最微小的扰动也会导致计算错误。

由于目前能实现的量子系统，与理想中的量子计算机还相距甚远，所以量子模拟器就不应该仅仅看作是通往量子计算机的一个“台阶”，它们本身就是研究人员的奋斗目标。量子模拟器自身不需要像量子计算机那样大，而且更为重要的是，量子模拟器的运算结果编码为所有原子的平均态，所以具有抵抗外部干扰的能力。“在量子计算机里，必须保证没有一个粒子出错，”马普量子光学研究所的理论物理学家伊格纳西奥·西拉克（Ignacio Cirac）解释说，“而在一个拥有100个粒子的量子模拟器里，如果其中一个出错，其余99个依然是正确的。”

有的科学家从上世纪中叶的研究中得到了启发。例如，万尼瓦尔·布什（Vannevar Bush）等一些科学家，曾经测试过一种由电阻器和电容器搭建的“模拟”计算机。当时，科学家为了解决某一个或某一类特定问题，设置了这种计算机，它不仅能对一个输入信号进行一系列的简单运算，而且当中的有些设备甚至还能够执行数学计算。以现在的眼光来看，与可以运行任何程序的数字计算机（可编程晶体管集合）相比，这种“模拟”计算机的确显得微不足道。但是，麻省理工学院的理论物理学家塞斯·劳埃德（Seth Lloyd）评价说：“在处理某一特定问题上，模拟计算机不仅速度快、性能好而且效果不错，很适合用于控制一台机器。例如，‘土星号’登月火箭上的所有控制电路都是模拟的。”

同“模拟”计算机一样，量子模拟器也高度依赖组成部件，而且它的适应性比真正的量子计算机要差。但劳埃德认为，他们或许已经实现了量子复杂性问题中的“登月任务”。例如，随着微处理器尺寸的缩小，以及在分子尺度上设计的新材料的出现，量子效应正变得越来越重要。同时，为了研究和预测材料的性质，研究人员对量子模拟的需求也大大增加。劳埃德预计，在这些应用需求中，至少有一部分能通过量子模拟器实现。“现在看来，量子模拟器能够执行许多特定任务，并且，随着时间的推移，任务的数量会迅速增长”。

阿斯普鲁－古奇克的心里就有这样一个想法：用量子模拟器模拟光合作用。当阳光照射到植物叶子上时，会产生一对正负电荷，这对电荷运行很长一段距离后到达反应中心，在那里，它们会为植物代谢提供能量。这对电荷的运动是由量子力学原理决定的：一些研究人员认为，电荷对的集体波函数分布在叶片中的吸光分子上，如此一来，电荷对就能更有效地传播（相对于经典情况）。

阿斯普鲁-古奇克和其他一些研究人员认为，模拟器能帮助他们了解这一过程究竟是如何进行的。阿斯普鲁-古奇克将光合作用称为“不纯净”的量子系统，因为这个系统同时包含量子原理和经典原理。他评论说，用一个由超导电流环构成的小矩阵模型，可以很好地模拟光合作用，因为这些电流环也会受到外界噪音的影响。即便是这样，这个模拟过程仍难以实现。根据阿斯普鲁－古奇克的估计，模拟如光合作用这类反应，将需要数百个量子位，他预计这些量子系统的出现至少还需要十年时间。

相比于阿斯普鲁－古奇克，研发量子模拟器的科学家显得更为低调，他们当中的大多数，从那些也能用传统的超级计算机进行运算的模型入手，来证明他们的量子模拟器能够给出可靠的结果。下一步，他们计划将那些由原子、电流环或其他微小单元构成的量子模拟器，发展到超级计算机再也无法比拟的程度。

到那个时候，“我们能够实现的模拟对象甚至不再是真实的材料，但从某种意义上说，这又有什么关系呢？”美国马里兰大学的物理学家克里斯·门罗（Chris Monroe）说。即使这些模型表现出来的行为不像超导体或希格斯粒子，这种新系统或许仍能给研究人员带来一些传统计算机无法带来的东西。门罗和其他一些研究人员认为，量子模拟器最终将会依据不同的模拟对象进行设置。例如，模拟超导体或许最适合用冷原子，而离子则适合应用于磁场研究。当然，仍然会有一些太过复杂的量子系统，使得科学家无论采取任何设置，都无法对其进行模拟。

虽然，同费曼的多用途量子计算机相比，这种量子模拟器可以说相形见绌。然而，在物理学界，量子模拟器却受到了前所未有的重视。“在过去，尤其是10年前，许多物理学家都曾嘲笑过量子计算这一想法，但现在，他们对量子模拟器却十分欢迎，”门罗说。这些量子系统虽然低级一些，但较容易实现。

本文作者：杰夫·布鲁姆菲尔是《自然》杂志的资深记者。

本文译者：王栋在芝加哥大学做博士后研究。