對于量子物理學家來說，創造一臺足以解決我們目前計算機無法解決的問題的量子計算機仍然是一個巨大的挑戰。一個運行良好的量子模擬器——一種特定類型的量子計算機——可能會導致關于世界如何在最小尺度上運作的新發現。

代爾夫特理工大學的量子科學家娜塔莉亞·切皮加（Natalia Chepiga）開發了一種關于如何升級這些機器的指南，以便它們可以模擬更復雜的量子系統。該研究現已發表在《物理評論快報》上。

“制造有用的量子計算機和量子模擬器是當今量子科學最重要、最有爭議的話題之一，具有徹底改變社會的潛力，”研究員納塔利婭·切皮加說。量子模擬器是一種量子計算機。切皮加解釋說：“量子模擬器旨在解決量子物理學的開放性問題，以進一步推動我們對自然的理解。量子計算機將在社會生活的各個領域得到廣泛應用，例如金融、加密和數據存儲。”

方向盤

切皮加說：“一個有用的量子模擬器的一個關鍵因素是控制或操縱它的可能性。想象一輛沒有方向盤的汽車。它只能前進，但不能轉彎。它有用嗎？只有當你需要朝一個特定的方向走時，它才有用；否則，答案將是‘不！’。如果我們想創造一臺能夠在不久的將來發現新的物理現象的量子計算機，我們需要建立一個‘方向盤’來調整到看起來有趣的東西。在我的論文中，我提出了一種協議，可以創建一個完全可控的量子模擬器。”

該協議是一種配方——量子模擬器應該具有可調性的一組成分。在量子模擬器的傳統設置中，銣（Rb）或銫（Cs）原子是單個激光的目標。因此，這些粒子將吸收電子，從而變得更有活力；它們變得興奮。

Chepiga解釋道：“我證明，如果我們使用不同頻率或顏色的兩種激光，從而將這些原子激發到不同的狀態，我們可以將量子模擬器調諧到許多不同的設置”。

該協議提供了可以模擬的額外維度。“想象一下，你只看到一個立方體作為一張平紙上的草圖，但現在你得到一個可以觸摸、旋轉和以不同方式探索的真實3D立方體，”切皮加繼續說道。“從理論上講，我們可以通過引入更多激光來添加更多維度。”

模擬許多粒子

Chepiga解釋道：“模擬具有許多粒子的量子系統的集體行為是非常具有挑戰性的。除了幾十個粒子，用我們常用的計算機或超級計算機建模必須依賴于近似值。”當考慮到更多粒子、溫度和運動的相互作用時，計算機需要執行太多的計算。

量子模擬器由量子粒子組成，這意味著這些組件是糾纏在一起的。“糾纏是量子粒子之間共享的某種相互信息。它是模擬器的內在屬性，因此可以克服這一計算瓶頸。”

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