Trinity的量子物理学家与IBMDublin合作，在量子计算机上成功模拟了量子粒子相互作用系统中的超扩散。

这是在量子硬件上进行极具挑战性的量子输运计算的第一步，随着硬件随着时间的推移而改进，此类工作有望为凝聚态物理和材料科学带来新的曙光。

这项工作是TCD-IBM博士前奖学金计划的首批成果之一，该计划最近设立，IBM聘请了博士生。学生作为雇员，同时在三一学院受到共同监督。该论文近期发表在npjQuantumInformation上。

本研究中使用的早期量子计算机由27个超导量子位(量子位是量子逻辑的构建块)组成，物理位置位于纽约约克敦高地的IBM实验室，并从都柏林进行远程编程。

量子计算是目前最令人兴奋的技术之一，预计在未来十年将更加接近商业应用。除了商业应用之外，量子计算机还可以帮助解决一些令人着迷的基本问题。Trinity和IBMDublin的团队解决了这样一个有关量子模拟的问题。

领导这项研究的新成立的三一量子联盟主任、三一学院教授约翰·古尔德(JohnGoold)在解释这项工作的意义和量子模拟的总体概念时说：“一般来说，模拟复杂量子系统动力学的问题对于传统计算机来说，具有许多相互作用的成分是一个巨大的挑战。”

“考虑一下这个特定设备上的27个量子位。在量子力学中，这样一个系统的状态是通过一个称为波函数的对象在数学上描述的。为了使用标准计算机来描述这个对象，您需要大量的系数存储在内存中，需求随着量子位的数量呈指数级增长;在本次模拟中，大约有1.34亿个系数。”

“当你将系统发展到300个量子位时，你将需要比可观测宇宙中的原子更多的系数来描述这样一个系统，并且任何经典计算机都无法准确捕获系统的状态。换句话说，当我们遇到困难时，我们会碰壁。模拟量子系统，”古尔德说。

“使用量子系统来模拟量子动力学的想法可以追溯到美国诺贝尔奖获得者物理学家理查德·费曼(RichardFeynman)，他提出使用量子系统可以最好地模拟量子系统。原因很简单——你自然会利用量子计算机被描述的事实通过波函数，从而避免了对指数经典资源来存储状态的需求。”

那么团队到底模拟了什么?古尔德教授继续说道：“一些最简单的非平凡量子系统是自旋链。这些是由称为自旋的小型连接磁体组成的系统，它们模仿更复杂的材料并用于理解磁性。我们对一种称为海森堡的模型感兴趣链，我们对自旋激发如何在系统中传输的长期行为特别感兴趣。在这个长期限制中，量子多体系统进入流体动力学状态，并且传输由描述经典流体的方程描述。

绒毛火蔓延

“我们对一种特殊的状态很感兴趣，在这种状态下，由于基本物理受到卡达尔-帕里西-张方程的控制，发生了一种叫做超扩散的现象。这个方程通常描述表面或界面的随机增长，就像如何“暴风雪期间雪的高度会增加，布上咖啡杯的污渍如何随着时间的推移而增加，或者绒毛火如何生长。众所周知，这种传播会产生超扩散传输。”

“随着系统尺寸的增加，这种传输会变得更快。令人惊讶的是，控制这些现象的相同方程出现在量子动力学中，我们能够使用量子计算机来验证这一点。这是该项目的主要成就工作。”

作为该项目的一部分，IBM-Trinity博士前学者NathanKeenan对设备进行了编程，他向我们讲述了对量子计算机进行编程的一些挑战。

“量子计算机编程的最大问题是在存在噪声的情况下执行有用的计算，”他说。“在芯片级执行的操作并不完美，并且计算机对其实验室环境的干扰非常敏感。因此，您希望最大限度地减少有用程序的运行时间，因为这将缩短这些错误发生的时间并且可能会发生干扰并影响您的结果。”

IBM英国和爱尔兰研究院院长JuanBernabé-Moreno表示：“IBM在推进量子计算技术方面有着悠久的历史，不仅通过数十年的研究成果，还提供了最大、最广泛的商业量子计划和生态系统。与都柏林三一学院通过量子科学与技术硕士和博士项目的合作证明了这一点，我很高兴它已经取得了有希望的成果。

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