对于量子物理学家来说，创造一台足以解决我们目前计算机无法解决的问题的量子计算机仍然是一个巨大的挑战。一个运行良好的量子模拟器——一种特定类型的量子计算机——可能会导致关于世界如何在最小尺度上运作的新发现。

代尔夫特理工大学的量子科学家娜塔莉亚·切皮加（Natalia Chepiga）开发了一种关于如何升级这些机器的指南，以便它们可以模拟更复杂的量子系统。该研究现已发表在《物理评论快报》上。

“制造有用的量子计算机和量子模拟器是当今量子科学最重要、最有争议的话题之一，具有彻底改变社会的潜力，”研究员纳塔利娅·切皮加说。量子模拟器是一种量子计算机。切皮加解释说：“量子模拟器旨在解决量子物理学的开放性问题，以进一步推动我们对自然的理解。量子计算机将在社会生活的各个领域得到广泛应用，例如金融、加密和数据存储。”

方向盘

切皮加说：“一个有用的量子模拟器的一个关键因素是控制或操纵它的可能性。想象一辆没有方向盘的汽车。它只能前进，但不能转弯。它有用吗？只有当你需要朝一个特定的方向走时，它才有用；否则，答案将是‘不！’。如果我们想创造一台能够在不久的将来发现新的物理现象的量子计算机，我们需要建立一个‘方向盘’来调整到看起来有趣的东西。在我的论文中，我提出了一种协议，可以创建一个完全可控的量子模拟器。”

该协议是一种配方——量子模拟器应该具有可调性的一组成分。在量子模拟器的传统设置中，铷（Rb）或铯（Cs）原子是单个激光的目标。因此，这些粒子将吸收电子，从而变得更有活力；它们变得兴奋。

Chepiga解释道：“我证明，如果我们使用不同频率或颜色的两种激光，从而将这些原子激发到不同的状态，我们可以将量子模拟器调谐到许多不同的设置”。

该协议提供了可以模拟的额外维度。“想象一下，你只看到一个立方体作为一张平纸上的草图，但现在你得到一个可以触摸、旋转和以不同方式探索的真实3D立方体，”切皮加继续说道。“从理论上讲，我们可以通过引入更多激光来添加更多维度。”

模拟许多粒子

Chepiga解释道：“模拟具有许多粒子的量子系统的集体行为是非常具有挑战性的。除了几十个粒子，用我们常用的计算机或超级计算机建模必须依赖于近似值。”当考虑到更多粒子、温度和运动的相互作用时，计算机需要执行太多的计算。

量子模拟器由量子粒子组成，这意味着这些组件是纠缠在一起的。“纠缠是量子粒子之间共享的某种相互信息。它是模拟器的内在属性，因此可以克服这一计算瓶颈。”

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