物理学家们利用普通计算机、先进数学和专门软件，解决了一个被认为超出经典机器能力的困难量子物理问题。这项工作由西蒙斯基金会的弗拉特铁洋研究所的计算量子物理中心（CCQ）的研究人员与波士顿大学的合作者共同完成。他们的方法证明足够高效，以至于部分计算可以在个人笔记本电脑上运行。通过从传统硬件中提取更多计算能力，该方法可能扩展科学家可以研究的量子动力学问题的范围。它还可能为优化问题提供有用的策略，研究人员必须在许多可能的解决方案中识别出最佳答案。研究结果发表于期刊《科学》。 模拟数百个相互作用的量子位 挑战在于对数百个相互作用的“量子位”进行建模，量子位是传统计算机所用比特的量子对应物。量子位被排列成方形、立方体或菱形晶格。传统比特只能存储0或1，而量子位可以处于多种状态的叠加中。这一特性赋予量子系统非同寻常的能力，但也使得它们的行为在经典计算机上极难复制。在2025年3月的另一篇发表在《科学》期刊上的文章中，另一研究团队报告使用量子计算机计算一个尤为复杂的量子位系统的动态。该团队认为经典计算机无法匹敌这一成就。“每当我们（在CCQ）看到这种说法时，我们总是持有一点怀疑态度，”CCQ的一名助理研究科学家和新《科学》论文的第一作者约瑟夫·廷达尔说。“就像，‘你试过这样吗？你试过那样吗？’”对于CCQ的研究人员来说，这一说法提供了一个引人注目的方式来测试他们自己技术的极限。这个问题为他们的工具提供了“试驾”的机会，研究的共同作者、CCQ研究科学家迈尔斯·斯图登迈尔说。“我们本可以选择一些更随意的目标，”斯图登迈尔说。“但这就像‘为什么不选择这个有着重大声称的目标呢？’” 量子纠缠的挑战 其中最大的障碍之一是量子纠缠。当量子位相互纠缠时，即使量子位之间相距很远，其属性也保持连接。因此，研究人员不能独立地对每个量子位进行建模。相反，需要复杂的算法来描述整个系统。“当你有很多通过量子物理相互作用的粒子时，你有一个描述系统状态的波函数”，廷达尔说。“这是一个庞大的对象，随着粒子数量的增加而迅速变大。”波函数包含描述量子系统所需的信息，但其大小随着更多粒子的加入而指数增长。随着波函数大小的指数增长，“我就是无法直接将其存储在我的计算机上，”他说。处理如此庞大的波函数是量子物理中的一个常见问题。然而，这些计算对于预测量子材料的行为（包括超导体）至关重要。 压缩庞大的量子系统 研究人员通过开发和应用基于张量网络的新工具来克服这一障碍。这些数学结构压缩波函数中包含的信息，以便更高效地处理。廷达尔将这种方法比作“波函数的压缩文件，您已经将所有这些信息压缩到这个充满相互连接的小数字表的数学数据结构中。”这种压缩使得在经典计算机上进行模拟变得可行。廷达尔在使用CCQ创建的高性能张量网络软件库ITensor的笔记本电脑上完成了许多初始计算。新的模拟还展示了ITensor团队如何将张量技术应用于新类型的问题。在这种情况下，研究人员使用3D张量网络模型三维量子动态。“这是一种非常有效的强大压缩方式，但它是一个相当复杂的数学对象，”廷达尔说。“这确实是一个前沿，因为与这些对象（尤其是在三维中）合作是非常未经探索的。您需要复杂的代码和算法来处理它们；这本身就是一个软件工程挑战。” 一个旧算法找到新用途 许多模拟只需要相对适度的计算资源。对于早期计算，廷达尔使用了信念传播算法，这是一个在1980年代开发的算法，最近研究人员已将其适应于量子系统。“这比其他一些方法更近似，但成本更低，我们可以更直接地在许多硬件上运行。”