利用“超混沌”模型 传统电脑可模拟复杂量子电脑系统

一组物理学家发现，量子电脑系统的复杂度并不像预期那样随着规模的增大呈指数级增长，而只是与量子比特的数量成比例增长。这意味着在没有成熟的量子电脑诞生的时候，用现有的电脑就有可能模拟复杂的量子系统并展开研究。2020年一月消费电子展上所展示的量子电脑。很长一段时间以来，量子电脑的研发都受限于传统电脑处理器有限的能力，可是现在正在设计的量子电脑硬件还太小，都是各种实验雏形，无法看到一个真正可用规模的量子处理器。最近，英国拉夫堡大学(Loughborough University)和诺丁汉大学(University of Nottingham)等研究机构合作的小组找到一个理论，称通过利用量子比特的“超混沌”(hyperchaos)状态，用现代电脑可以模拟量子系统。研究称，他们发现当向系统施加像激光、微波这些外部能量的时候，系统变得非常无序，最后展现一种“超混沌”状态。

现代电脑用0和1作为基本数据单元，也叫比特，量子电脑的基本数据单元是量子比特，它在比特两个数位的基础上，还多了一种即是0又是1的叠加状态。因此量子电脑可以有非凡的处理能力。当量子比特受到外部能量激发，将不断地在各种数位状态之间无规律的跳跃，也就是研究人员所称的“混沌”状态。可是研究发现，这种混沌状态的复杂度，并不像预计的那样随着系统规模的增长呈现指数级增长，而是保持与量子比特数量成比例地增长。这份研究称，这一发现对如何模拟量子系统具有巨大的潜在意义。研究者之一拉夫堡大学的扎戈斯金(Alexandre Zagoskin)用飞机的设计过程做比方进行解释。“飞机设计需要计算复杂的空气动力学方程，在二战以后高速电脑诞生后才有可能进行这类运算。可是在那之前很久的时期，人们已经在设计飞机。因为人们可以使用有限的一些参数来描述空气动力模型的特征，这些参数用小型的模型和实验可以完成。”扎戈斯金说，量子电脑系统的情形也具有这样的特征。如果直接模拟所有的细节，现代的电脑办不到。“但是如果我们能够以1万个参数代替2^10,000个参数模拟一个具有1万个量子比特的系统，这就是一个关键的突破。”研究称，大型量子系统复杂度的可控性，也为设计全新的量子加密工具开辟了新的思路。这份研究1月4日发表在《自然》旗下的量子信息专刊《NPJ Quantum Information》上。

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