當諾貝爾獎得主Richard Feynman首次提出量子計算機的概念時，他提出量子計算機或許能進行那種復雜的量子模擬，從而為下一代電池或新型藥物的研發提供思路。現在，谷歌的一種新量子模擬器發現，磁性并不總是按照科學家所認為的方式起作用，這表明它有望在未來挖掘出更多的發現成果。

這項新研究結合了兩種量子計算——模擬量子計算和數字量子計算。在模擬量子計算中，量子比特（qubits）可以作為表現出量子行為的其他物體（如分子、原子和亞原子粒子）的類似物。模擬量子計算常被用于模擬分子間相互作用，這些相互作用過于復雜，以至于任何傳統計算機在我們有生之年都無法建模。

相比之下，數字量子計算機在一組量子比特上運行一系列基本操作，這些操作被稱為量子邏輯門。如果有足夠多的量子比特，從理論上講，量子計算機在許多應用上的性能將大大超過所有傳統計算機。例如，在量子計算機上，Shor算法可以破解現代密碼學，Grover算法可以以驚人的速度搜索數據庫。

數字量子計算機能夠進行量子模擬，但模擬量子計算機在這項任務上速度更快。例如，在模擬三個原子可能如何相互作用時，數字量子計算機必須一步一步地對原子間的每一種組合的相互作用進行建模，而模擬量子計算機則可以同時對所有組合進行建模。考慮到當前量子硬件容易出錯的特性，速度就顯得尤為重要——運算速度越快，成功完成的可能性就越大。

不過，在量子模擬方面，數字量子計算機比模擬量子計算機更具靈活性。模擬量子計算機旨在盡可能精確地模擬其模擬對象，而數字量子計算機在可模擬的內容上具有更強的可調節性。

谷歌的模擬 - 數字混合量子模擬

位于加利福尼亞州山景城的谷歌量子人工智能（Google Quantum AI）的資深研究科學家Trond Andersen表示，現在谷歌“正在推出一種新的模擬 - 數字混合量子模擬方法，試圖兼取兩者之長”。研究人員于2月5日在《自然》雜志在線詳細闡述了他們的研究成果（https://www.nature.com/articles/s41586-024-08460-3）。

這個新系統擁有69個超導量子比特。它通過對量子比特應用邏輯門來準備模型的初始狀態從而開始模擬，然后讓模型以模擬方式快速演化。最后，它轉換回數字操作模式，以便研究人員能夠全面地測量結果。Andersen說：“我們實現了靈活性和速度的結合。”

先前的研究已經探索過模擬 - 數字混合量子模擬，但在模擬演化階段往往會出現較大誤差。新系統采用了一種高保真校準方案，極大地減少了這個問題，實現了每個量子比特0.1%的錯誤率。“這是使這項工作成為可能的突破之一，”Andersen說。

在基準測試實驗中，科學家們估計，要達到新系統所實現的保真度水平的模擬，在田納西州橡樹嶺國家實驗室的Frontier超級計算機上需要100多萬年的時間。“我們對這個新方向感到興奮，它能帶來我們在傳統計算機上無法實現的發現和應用，”Andersen說。

此外，新的模擬器有一個意外發現。它發現廣泛使用的Kibble - Zurek機制（例如，該機制可預測磁體在相變期間的行為）并非總是成立。

“這是一個巨大的驚喜——這是一個在世界各地量子實驗室被廣泛研究的機制，”Andersen說。他說，理解與Kibble-Zurek機制相關的動力學“對各類量子模擬很重要”。

Andersen指出，這個發現本可以用傳統計算機得出。“我們現在開始將我們的方法用于傳統計算機無法實現的應用，”他說。這項研究是使用谷歌的Sycamore量子處理器進行的，安德森表示公司“現在有了一種新的先進芯片——Willow（https://spectrum.ieee.org/quantum-error-correction-2670337688），我們很興奮能在上面嘗試我們的方法。”