利用超混沌模型 傳統電腦模擬複雜量子電腦系統

一組物理學家發現，量子電腦系統的複雜度並不像預期那樣隨著規模的增大呈指數級增長，而只是與量子比特的數量成比例增長。這意味著在沒有成熟的量子電腦誕生的時候，用現有的電腦就有可能模擬複雜的量子系統展開研究。

很長一段時間以來，量子電腦的研發都受限於傳統電腦處理器有限的能力，可是現在正在設計的量子電腦硬件還太小，都是各種實驗雛形，無法看到一個真正可用規模的量子處理器。

最近， 英國拉夫堡大學（Loughborough University） 和諾定咸大學（University ofNottingham）等研究機構合作的小組找到一個理論，稱通過利用量子比特的「超混沌」狀態，用現代電腦可以模擬量子系統。

研究稱，他們發現當向系統施加像激光、微波這些外部能量的時候，系統變得非常無序，最後展現一種「超混沌」狀態。

現代電腦用0 和1 作為基本數據單元，也叫比特，量子電腦的基本數據單元是量子比特，它在比特兩個數位的基礎上，還多了一種即是0 又是1 的疊加狀態。因此量子電腦可以有非凡的處理能力。

當量子比特受到外部能量激發，將不斷地在各種數位狀態之間無規律地跳躍，也就是研究人員所稱的「混沌」狀態。可是研究發現，這種混沌狀態的複雜度，並不像預計的那樣隨著系統規模的增長呈現指數級增長，而是保持與量比特數量成比例地增長。

這份研究稱，這一發現對如何模擬量子系統具有巨大的潛在意義。

研究者之一拉夫堡大學的扎戈斯金（Alexandre Zagoskin）用飛機的設計過程做比方進行解釋。

「飛機設計需要計算複雜的空氣動力學方程，在二戰以後高速電腦誕生後才有可能進行這類運算。可是在那之前很久的時期，人們已經在設計飛機。因為人們可以使用有限的一些參數來描述空氣動力模型的特徵，這些參數用小型的模型和實驗可以完成。」

扎戈斯金說，量子電腦系統的情形也具有這樣的特徵。如果直接模擬所有的細節，現代的電腦辦不到。「但是如果我們能夠以1 萬個參數代替2^10,000 個參數模擬一個具有1 萬個量子比特的系統，這就是一個關鍵的突破。」

研究稱，大型量子系統複雜度的可控性，也為設計全新的量子加密工具開闢了新的思路。

這份研究近期發表在《自然》旗下的量子信息專刊《NPJ Quantum Information》上。◇