中科大在国际上首次实验实现压缩量子模拟方法

中安在线讯 中国科大杜江峰教授课题组在量子模拟的实验研究中取得重要进展。他们在国际上首次实验实现了压缩量子模拟方法，将原先需要32量子比特的量子模拟任务压缩到仅需5量子比特并在实验中成功实现。利用该方法，他们使用核磁共振量子模拟器成功研究了一个32自旋链的基态性质。这一实验的成功实现预示着量子模拟能解决的问题尺度将大为增加，为量子模拟超越经典计算提供可能。相关研究成果发表在近日出版的《物理评论快报》上，并被选为该期编辑推荐亮点文章。

在多体量子系统的研究中，若直接使用经典计算机进行数值计算，需要消耗指数级的资源。如模拟32个自旋1/2粒子组成的多体系统需要的计算量就高达10至20量级，对于经典计算机而言极难完成。

1982年，诺贝尔物理学奖得主费曼教授提出量子模拟的概念，指出使用量子模拟器研究量子系统仅需要多项式级资源，相对经典情形可达到指数级加速。然而，受限于目前对量子系统的操控能力，实验中可使用的量子模拟器的尺度仍然较小，这使得较大规模量子系统的实验研究目前仍然难以完成。

杜江峰教授课题组李兆凯等使用了新颖的压缩量子模拟技术，极大地减少了量子模拟所需的实验资源。在实验中，他们以32个自旋组成的Ising链为例，利用压缩量子模拟技术将该量子系统的模拟过程压缩至log(32)比特的空间中，进而转化为5比特的量子线路。随后利用核磁共振量子计算机，在实验上成功地模拟了该32自旋链量子系统，观测到其基态性质随该系统内部参数变化的趋势。

这一研究成果表明，对于特定类型的多体量子系统，使用压缩量子模拟技术可以极大地减少对量子模拟器比特数的需求。这种双指数的加速过程使得研究多体量子系统的难度极大地降低，为当前技术水平下实现大规模的量子模拟提供了一种可行方案。该成果发表在2014年《物理评论快报》上，并被选为当期的编辑推荐亮点文章。(记者：赵孝刚)