加州，2025年2月13日 – 量子计算领域迎来一项突破性进展。谷歌公司近日宣布，其研发的混合数模量子计算机在模拟磁性材料时，发现了与传统理论预测不符的现象，为理解量子世界的复杂性打开了新的窗口。这一发现不仅挑战了科学家们对磁性的传统认知，也预示着量子模拟器在未来新材料和药物研发中具有巨大的潜力。
这项研究成果于2025年2月5日发表在《自然》杂志上，题为“Thermalization and criticality on an analogue–digital quantum simulator”。该研究结合了模拟和数字量子计算的优势，为解决传统计算机难以处理的复杂问题提供了新的途径。
混合架构：兼具速度与灵活性
量子计算机的设想最早由诺贝尔奖得主理查德·费曼提出，他认为量子计算机能够模拟复杂的量子系统，从而加速新材料和药物的研发进程。谷歌的最新研究正朝着这个方向迈出了重要一步。
传统的量子计算分为模拟和数字两种方式。模拟量子计算利用量子比特模拟其他量子系统，如分子、原子等，擅长处理复杂的分子相互作用。而数字量子计算机则通过一系列量子逻辑门操作量子比特，理论上拥有超越传统计算机的计算能力，例如破解密码和搜索数据库。
然而，模拟量子计算机虽然速度快，但在模拟精度和灵活性方面存在局限性。数字量子计算机则相反，精度高但速度较慢。为了克服这些限制，谷歌的研究团队开发了一种混合数模量子模拟器，旨在兼具两者的优点。
“我们实现了灵活性和速度的融合，”谷歌量子人工智能实验室高级研究员 Trond Andersen 解释道。
高精度校准：突破技术瓶颈
此前的混合量子模拟研究常常面临模拟演化过程中误差过大的问题。谷歌的新系统采用了一种高保真校准方案，将每量子比特的误差率降低至0.1%，显著提升了模拟的准确性。
该校准方案支持量子比特间成对相互作用的通用纠缠门，以及对U(1)对称自旋哈密顿量的高保真模拟。Andersen表示，低模拟演化误差的实现，是这项研究的关键突破之一。
超越经典算法：量子优势初显
通过交叉熵基准测试（XEB），谷歌的混合量子模拟器展示了超越已知经典算法的模拟能力。研究人员估计，在橡树岭国家实验室的Frontier超级计算机上，要达到新系统所实现的保真度水平，需要耗费超过一百万年的时间。
“我们对在传统计算机上无法实现的发现和应用的新方向感到兴奋，”Andersen 说道。
挑战传统认知：磁性行为的新发现
更令人惊讶的是，该模拟器还发现了与广泛使用的Kibble-Zurek机制不符的现象。Kibble-Zurek机制常被用于预测磁体在相变过程中的行为，但谷歌的实验结果表明，该机制并非总是成立。
“这是一个大惊喜——这是一种在世界各地的量子实验室中被广泛研究的机制，”Andersen 说道。他指出，理解与Kibble-Zurek机制相关的动力学对于各种类型的量子模拟都至关重要。
未来展望：量子计算的无限可能
这项研究是使用谷歌的Sycamore量子处理器进行的。Andersen透露，该公司已经拥有了新的、更先进的芯片Willow，并计划在其上尝试新的方法。
这一发现不仅为量子计算领域带来了新的希望，也为我们理解自然界的基本规律提供了新的视角。随着量子技术的不断发展，我们有理由相信，量子计算机将在未来发挥越来越重要的作用，推动科学技术的进步。
参考文献：
- Andersen, T., et al. (2025). Thermalization and criticality on an analogue–digital quantum simulator. Nature, 638(7839), 1-6. https://www.nature.com/articles/s41586-024-08460-3
- IEEE Spectrum. (n.d.). Quantum Simulation. https://spectrum.ieee.org/quantum-simulation
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