你知道什么是模拟吗？
量子模拟：模拟量子状态，还得靠量子
量子系统的描述为什么这么困难？虽然从理论上来说，我们可以用量子力学描述一切粒子的状态，但搞清量子力学问题依然非常困难。这是因为，原子间的作用力实在是太复杂了，描述大型物理系统量子状态的参数随着系统大小的增加呈指数级增长，因此需要大量的计算机内存来存储。一般情况下，即使在当今的超级计算机上，模拟量子系统中的物理问题仍然是一项非常艰巨的任务。
在20世纪中叶以后，人们已经明确地认识到模拟量子力学问题是极具挑战性的。1959年，费曼在美国物理学会年会发表了著名演讲“There’s plenty of room at the bottom”。这篇演讲中，他认为人类应当向更小尺度的科技迈进，这次演讲被认为是量子科技发展的开端。1982年，在费曼的另一次演讲“Simulating physics with computers”中，首次明确提出了量子模拟的概念。他指出，由于在量子力学系统中基的空间随粒子数目呈指数增长，经典计算机很难解决此类问题。一种可行的解决方法是“A quantum for a quantum”，即通过量子系统来“计算”量子系统。这也就是量子模拟的基本思想。
▲理查德·费曼（Richard Feynman），美国理论物理学家，1965年因对量子电动力学的贡献，与朱利安·施温格及朝永振一郎共同获得诺贝尔物理学奖。
在费曼提出量子计算机的概念的十多年后，研究表明量子计算机确实可以充当通用量子模拟器。这里的“通用”指的是，除了运行的程序有所改变，同一台机器能够用于解决不同的问题。然而，如果我们只需要模拟一些特定的量子力学问题，通用的量子计算机并不是必要的。因此，在完全成熟的通用量子计算机出现之前，我们就可以通过更加简单的量子系统实现量子模拟来解决一些困扰了人们很久的物理问题。
什么是量子模拟?
使用经典算法模拟量子力学问题是一个非常困难的计算问题，特别是当被模拟的体系非常大时。然而，通过使用一些可控的量子系统，来研究另一个不太可控或实现上较为困难的量子系统，即量子模拟，可以克服这一困难。量子模拟在诸如凝聚态物理、高能物理、原子物理、量子化学和宇宙学等领域的问题研究中都具有非常广阔的应用前景。
广义的量子模拟系统大体可分为两类。一类通常被称为量子计算机（quantum computer），它们通过构造量子比特和量子门，实现经典数字计算机在量子体系下的对应，并利用量子比特的叠加性进行大规模的计算。另一类则称为量子模拟器（quantum simulator），通过构造与目标体系等效的哈密顿量来模拟对应的系统，给出定量或定性的结论。我们这里讨论的量子模拟指的是后者，而前者则一般被称为量子计算。
冷原子模拟：有多冷才能叫“冷原子”？
2024年7月10日，中国科学技术大学潘建伟、陈宇翱、姚星灿、邓友金等人成功构建了求解费米子哈伯德模型的超冷原子量子模拟器“天元”，以超越经典计算机的模拟能力首次验证了该体系中的反铁磁相变，朝向获得费米子哈伯德模型的低温相图、理解量子磁性在高温超导机理中的作用迈出了重要的第一步。
▲ “天元”量子模拟器示意。红色和蓝色的小球分别代表自旋相反的原子，它们在三维空间交错排列，形成了反铁磁晶体。原子被光晶格囚禁在玻璃真空腔中。
