期刊信息
曾用名:量子电子学
主办:中国光学学会基础光学专业委员会;中国科学院合肥物质科学家研究院
主管:中国科学院
ISSN:1007-5461
CN:34-1163/TN
语言:中文
周期:双月
影响因子:0.365217
数据库收录:
文摘杂志;北大核心期刊(2000版);北大核心期刊(2004版);北大核心期刊(2008版);北大核心期刊(2011版);北大核心期刊(2014版);北大核心期刊(2017版);化学文摘(网络版);中国科学引文数据库(2011-2012);中国科学引文数据库(2013-2014);中国科学引文数据库(2015-2016);中国科学引文数据库(2017-2018);中国科学引文数据库(2019-2020);日本科学技术振兴机构数据库;中国科技核心期刊;期刊分类:无线电电子学;物理学
期刊热词:
学术活动_第十三届全国光学前沿问题讨论会论文摘要集
量子模拟,洞悉世界︱大家(3)
【作者】网站采编
【关键词】
【摘要】量子模拟的还有一个广泛的应用场景是模拟凝聚态中电子的运动。 这些电子围绕着的原子核之间不到纳米级间距,电子又在高速运转,很难在实空间里观
量子模拟的还有一个广泛的应用场景是模拟凝聚态中电子的运动。
这些电子围绕着的原子核之间不到纳米级间距,电子又在高速运转,很难在实空间里观测到电子在哪儿了、怎么运动的、电子自旋之间是怎样关联的,等等。
而这时基于冷原子的量子模拟就派上用场了。它的装置结构就像平时装鸡蛋的纸壳,可以把鸡蛋牢牢放在一个个坑里稳稳的。这里的鸡蛋壳就是光晶格的光场,鸡蛋就是原子。原子用激光冷却后加载到光晶格形成的势场中。原子在光晶格里的分布变化可以模拟电子的行为,好处在于原子的运动比较慢,光晶格的间隔也相对较大,约为几百纳米,可以方便观察到原子的分布运动。
高中理科生都知道任意物体都既是粒子又是波,它的德布罗意波长与动量(即速度乘以质量)成反比。激光冷却原子时,原子的动能降下来,德波罗意波长变大,所有原子几乎都符合一个统一的波函数。这种德布罗意波长远远大于晶格的情形使隧穿等量子效应不可忽略,凝聚态中的电子的波长也远远大于凝聚态中的原子核之间的间距。这也正是冷原子类比模拟电子运动的原理所在。
值得一提的是,冷原子不止用来模拟电子,光波导阵列也不止模拟黑洞视界。每种量子物理体系都可以通过哈密顿量的合理映射实现广泛的量子模拟。
量子模拟助推算力极限
从一定意义上说,量子模拟是一种量子计算,尤其是类比型量子模拟,往往被称为专用量子计算。这是因为量子模拟实现经典计算机需要耗费巨大资源才能模拟的问题,例如:开头提到的50个粒子的自旋链的计算问题,量子模拟器有望实现指数级加速。
还有玻色采样问题,许多光子(即玻色子)从多个入射口注入光学网络,通过各种设定的分束器和相位调制器的参数,构建出光学网络实现符合哈尔随机的幺正变化,然后试问光子在出射端的分布情况。这个幺正操作的矩阵根据光学网络参数确定后,玻色采样结果可以通过经典计算机计算,但是涉及积和式的计算,运算量非常大。
此前,上海交通大学与国防科技大学合作动用了当时(2013—2016年)一度排名世界第一的超算天河二号的全部算力,计算50个光子的玻色采样还需要100分钟。
好在玻色采样是一个天然的量子模拟问题,想知道乒乓球落地后弹几下,何需估算摩擦力再带入公式努力计算,直接投个乒乓球就好了,光子怎样分布,直接将多光子导入这个光学网络实现天然的幺正操作再测量出来就可以。但是这在实现上需要非常精细的调节,这也正是76光子的玻色采样机“九章”在2020年问世以后带给全世界学术圈很大震撼的原因。
九章实现专用量子计算硬件上的前沿突破,体现我国在该科学领域的分量,值得为之自豪并持续奋进。
可以帮助加深基础物理的基础研究,还可以成为普适的计算工具,因为这些映射的哈密顿量还可以进一步映射到人工智能、金融、信息技术等广泛信息技术领域。
比如,模拟神经网络的联想记忆功能,可以进一步演示这个功能在图像识别中的应用。
又如,当初只是为了展示量子加速优势的玻色采样,未来也会在图论、机器学习、量子化学等领域具有重要的潜在应用价值。
此外,通过量子模拟的实验技术手段实现量子信息处理的各种功能元件,例如:如何在集成量子系统里存储量子态波包,如何在大规模网络中完美传输量子态等等,也会通过推动量子信息技术本身的发展来促进应用探究。
因此,当前需要充分发挥并发展量子模拟的实验技术能力,在可操控维度和精度上达到一个新的高度,实现广袤世界万物的精确模拟,并延伸到生活各领域的应用探究,推动实现一个更精彩的世界。
·本文选自《世界科学》杂志2021年第3期“大家·科技前沿”栏目·
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文章来源:《量子电子学报》 网址: http://www.lzdzxbzz.cn/zonghexinwen/2021/1008/1201.html