传统计算机如何在自己的游戏中击败量子计算机
今年早些时候，Flatiron 研究所计算量子物理中心 (CCQ) 的研究人员宣布，他们成功地利用经典计算机和复杂的数学模型，在一项一些人认为只有量子计算机才能解决的任务上彻底超越了量子计算机。现在，这些研究人员已经确定了他们为何能够在量子计算机的游戏中击败它。他们的答案发表在《物理评论快报》上，揭示了他们所解决的量子问题——涉及一个特定的二维翻转磁铁量子系统——表现出一种称为约束的行为。这种行为以前在量子凝聚态物理学中只在一维系统中出现过。
这一意外发现有助于科学家更好地理解量子计算机和传统计算机能力的分界线，并为测试新的量子模拟提供一个框架，该研究的主要作者、CCQ 研究员 Joseph Tindall 说。
“量子计算和传统计算机之间有一定的界限，”他说。“目前，这个界限非常模糊。我认为我们的工作有助于进一步明确这个界限。”
量子计算机利用量子力学原理，在处理能力和速度方面远超传统计算机。传统计算机受限于 1 和 0 的二进制运算，而量子计算机则可以利用量子比特（可同时表示 0 和 1）以完全不同的方式处理信息。
然而，量子技术仍处于起步阶段，尚未令人信服地证明其优于传统计算机。科学家们在努力找出量子计算机可能具有优势的地方时，提出了一些复杂的问题来测试传统计算机和量子计算机的极限。
2023 年 6 月，IBM 研究人员在《自然》杂志上发表了一篇论文，这是对量子计算机的最新测试结果。他们的论文详细介绍了一项实验，该实验模拟了一个系统，该系统具有随时间变化的微小翻转磁铁阵列。研究人员声称，这种模拟只有使用量子计算机才可行，而不是经典计算机。在通过新闻报道了解到这篇新论文后，廷德尔决定接受挑战。
过去几年来，廷德尔一直与同事合作开发更好的算法和代码，以便使用传统计算机解决复杂的量子问题。他将这些方法应用于 IBM 的模拟，并在短短两周内证明了他可以用很少的计算能力解决这个问题——甚至可以在智能手机上完成。
“我们并没有真正引入任何尖端技术，”廷德尔说。“我们以一种简洁而优雅的方式将许多想法结合在一起，使问题得以解决。这是 IBM 忽视的一种方法，如果没有精心编写的软件和代码，这种方法很难实现。”
2024 年 1 月，廷德尔和他的同事在《PRX Quantum》杂志上发表了他们的研究成果，但廷德尔并没有就此止步。受结果简单性的启发，他和 Flatiron 研究所和纽约大学的合著者 Dries Sels 开始研究为什么这个系统可以如此轻松地用经典计算机解决，而表面上看，它似乎是一个非常复杂的问题。
“我们开始思考这个问题，并注意到该系统的行为与人们在一个维度上看到的被称为限制的东西有许多相似之处，”廷德尔说。
禁闭是一种在特殊情况下在封闭量子系统中出现的现象，类似于粒子物理学中已知的夸克禁闭。要理解禁闭，让我们从一些量子基础知识开始。在量子尺度上，单个磁体可以向上或向下定向，也可以处于“叠加”状态——一种同时指向上方和下方的量子状态。磁体的上下位置会影响它在磁场中的能量。
在系统的初始设置中，所有磁铁都指向同一方向。然后，系统受到小磁场的干扰，导致一些磁铁想要翻转，这也促使相邻的磁铁翻转。这种行为（磁铁影响彼此的翻转）可能导致纠缠，即磁铁叠加的连接。随着时间的推移，系统的纠缠度增加，使得经典计算机难以模拟。
然而，在封闭系统中，可供流通的能量是有限的。在他们的封闭系统中，Tindall 和 Sels 表明，只有足够的能量来翻转小而稀疏的方向簇，从而直接限制纠缠的增长。这种基于能量的纠缠限制被称为限制，它是系统二维几何的完全自然结果。
“在这个系统中，磁铁不会突然乱成一团；它们实际上只会在初始状态附近振荡，即使在很长的时间尺度上也是如此，”廷德尔说。“从物理学的角度来看，这非常有趣，因为这意味着系统保持一种具有非常特殊结构的状态，而不是完全无序。”
偶然的是，IBM 在最初的测试中设置了一个问题，即磁铁在封闭的二维阵列中的排列会导致约束。Tindall 和 Sels 意识到，由于系统的限制减少了纠缠量，因此问题变得足够简单，可以用经典方法描述。通过模拟和数学计算，Tindall 和 Sels 提出了一个简单而准确的数学模型来描述这种行为。
“量子物理学中一个悬而未决的大问题是，何时纠缠会快速增长，何时不会，”廷德尔说。“这个实验让我们很好地理解了一个例子，由于使用的模型和量子处理器的二维结构，我们无法获得大规模纠缠。”
结果表明，约束本身可能出现在一系列二维量子系统中。如果确实如此，Tindall 和 Sels 开发的数学模型将为理解这些系统中发生的物理现象提供宝贵的工具。此外，论文中使用的代码可以为实验科学家在为其他量子问题开发新的计算机模拟时提供基准测试工具。
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