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Hyperchaos现象用于在计算能力较小的情况下对复杂的量子系统建模

时间：2022-06-08 08:25:09 来源：

物理学家已经发现了量子位行为的潜在改变游戏规则的特征，它将使科学家能够模拟复杂的量子系统而无需巨大的计算能力。

一段时间以来，下一代量子计算机的发展受到常规CPU的处理速度的限制。

即使是世界上最快的超级计算机也没有足够强大的功能，并且现有的量子计算机仍然太小，无法建模中等大小的量子结构，例如量子处理器。

但是，来自拉夫堡大学，诺丁汉大学和Innopolis大学的一组研究人员现在已经找到了一种方法，可以利用量子位（数字信息的最小单位）的混乱行为来绕开对如此大量功率的需求。

在对量子比特（qubits）的行为进行建模时，他们发现当使用外部能量源（例如激光或微波信号）时，系统变得更加混乱-最终证明了被称为超混沌的现象。

当量子位被电源激发时，它们会切换状态，就像普通的计算机位在0到1之间转换一样，但是方式更加不规则和不可预测。

但是，研究人员发现，随着系统规模的增长，复杂程度（超混沌）并没有呈指数级增长（这是人们所期望的），但是，它却与单位数量成正比。

在发表在《自然》杂志NPJ Quantum Information上的一篇新论文《量子比特与耗子相互作用的驱动系统中的复杂行为的出现和控制》中，研究小组展示了这种现象如何具有巨大的潜力，使科学家能够模拟大型量子系统。

拉夫堡大学科学学院的其中一位通讯员亚历山大·扎戈斯金博士说：“一个很好的类比是飞机设计。

“为了设计飞机，必须解决流体动力学问题，这是很难解决的，只有在第二次世界大战后，强大的计算机出现之后，这才成为可能。

“尽管如此，人们在那之前就已经设计和飞行过飞机了。

“这是因为气流的行为可以通过有限数量的参数来表征，例如雷诺数和马赫数，这些参数可以通过小规模模型实验确定。

“如果不这样做，一旦包含数千个量子比特，就不可能使用经典计算机直接对量子系统进行所有细节的直接仿真。

“基本上，宇宙中没有足够的东西来构建能够处理该问题的经典计算机。

“如果我们仅用10,000个这样的参数而不是2 ^（10000）来表征10,000量子位量子计算机的不同状态，那将是一个真正的突破。2^（10000）大约是1的2倍，其中有3000个零。

新的结果表明，一个量子系统显示出一般情况下行为的定性不同模式，并且它们之间的过渡受相对较少数量的参数支配。

如果这通常成立，那么研究人员将能够从例如构建和测试比例模型中确定这些参数的临界值，并通过对实际系统进行几次测量来判断我们的量子处理器的参数是否使其正常工作或不工作。

另外，大量子系统行为的可控复杂性为新型量子密码工具的开发提供了新的可能性。

诺丁汉大学物理与天文学学院的李伟斌博士说：“这项工作的结果对于理解复杂的量子动力学很有洞察力。

“未来的量子计算机由数千个量子位（qubit）组成，其功能要比市场上最快的经典计算机强大几个数量级。

“在这里，对量子计算机的完全控制和表征是执行正确的大规模计算的关键。

“在量子领域，系统的自由度数量随其大小呈指数增长。

“由于尚无法在真正的量子计算机上进行全面的量子计算，因此瓶颈在于，使用经典的超级计算机只能模拟多达几十个量子位的小型量子计算机。”

参考：NPJ Quantum Information，AV Andreev，AG Balanov，TM Fromhold，MT Greenaway，AE Hramov，W。Li，VV Makarov和AM Zagoskin撰写的“复杂量子行为与耗散驱动系统中的复杂行为的出现和控制”，NPJ Quantum Information，2021年1月4日。 DOI：
10.1038 / s41534-020-00339-1

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