量子模拟可以帮助航班按时运行

一种强大的新计算形式可以帮助科学家设计用于纳米电子学的新型材料，允许航空公司解决复杂的后勤问题，以确保航班按时运行，并解决交通拥堵问题，以保持车辆在繁忙的道路上更自由地流动。

虽然现代数字计算机具有令人印象深刻的计算能力，但即便是最先进的超级计算机也存在一些问题。但研究人员认为，利用量子力学的新计算机可以控制微观粒子如玻色子，费米子和任何物体的奇怪行为，可以在几秒钟内解决这些问题。

建立通用量子计算机已被证明是非常困难的，目前，只有少数昂贵的机器正在开发中。

一些科学家正采取另一种方法，建立称为模拟量子模拟器的计算系统，试图找到量子计算机承诺提供的一些答案的捷径。

这些模拟器旨在通过模拟宇宙中最小粒子的行为来探索量子物理学的特定属性。这反过来可以应用于解决更广泛世界中的复杂问题，这些问题目前无法解决，或者可能需要一辈子才能使用经典计算机。

“我真正喜欢的类比是模拟量子模拟器有点像风洞，”英国斯特拉斯克莱德大学的物理学家Andrew Daley教授说，他是PASQuanS项目的成员。“几十年前，无法模拟计算机上的气流，因此您需要建立一个比例模型并将其放入风洞中。

'但是通过模拟量子模拟，缩放是另一种方式 - 而不是制作更小的版本，而是制作更大的版本。这使它更具可控性，因此更容易了解某些东西可能如何工作的细节。

放大

该项目汇集了来自欧洲各地的研究团队，试图建立一些迄今为止最强大的模拟量子模拟器，使用原子和离子作为亚原子粒子的放大模型。

例如，已经冷却到绝对零度以上几度的超冷原子可以悬浮在由激光形成的晶格中，以模拟电子如何在晶体中移动。到目前为止，最先进的量子模拟器在其模型中使用了大约100个超冷原子或多达20个离子，但该团队希望将其系统增强到拥有超过1,000个原子和多达50个离子。

戴利教授表示，这可能会使这些模拟器的功率远远超过经典计算所能实现的功能，其时间尺度远远低于通过构建通用量子计算机所能实现的时间尺度。

一个关键的挑战是使模拟器更具可控性和可编程性。参与该项目的研究人员正在开发控制原子的新技术，例如用激光“镊子”捕获它们，激发选择原子进入高能态或移动它们以便它们以不同方式相互作用。

“可编程位是关于使这些系统高度可控，以良好校准的方式，在单个晶格位置，单个离子或单个原子的水平上，”Daley教授说。

虽然这些模拟器可以帮助物理学家解决关于量子系统中粒子行为的问题，但它们也可以用来解决更大的现实问题。

例如，量子退火算法利用量子物理学的怪癖，从而在改变能量状态时亚原子粒子，原子和较大分子可以找到阻力最小的路径。这可以比作试图将球滚到山上以到达另一侧的更深的山谷 - 如果球没有给予足够的推力，它将没有能量到达山峰并且将简单地向后滚。相比之下，量子粒子可以通过简单地穿过它们来绕过它们必须克服的能量峰值。

优化

这种更容易找到低能态的能力意味着量子退火可用于寻找优化复杂交通网络或复杂物流链的方法。

“我们可以从其他地方解决问题并将其映射到原子或离子之间的相互作用，”戴利教授说。“然后我们就可以开始提问，找到可能的最低能量配置。”

空中客车公司，道达尔公司，博世公司，法国电力公司(EDF)和西门子公司等大公司已经表示有兴趣探索这种方法。这些公司的研究人员正在与该项目合作，试图找到可应用于其商业运营的潜在应用。

例如，在飞机上，它可以用来帮助确保飞机和航空公司机组人员在正确的位置，以便航班顺利运行。

它还可以用于快速建模在繁忙道路上重新路由交通的最佳方式，以避免拥堵和减少污染。

“我们已经建立了一个最终用户论坛，以获得可以在模拟量子模拟平台上实现的问题的具体想法，”戴利教授说。“这些是业界特别感兴趣的大问题，我们可以模仿我们的系统。”

量子模拟器的强大功能不仅仅是寻找优化过程的方法。Daley教授及其同事表示，他们量子模拟器的首批应用之一将是帮助设计新材料，包括纳米电子学和超导体。

这是后话了Qombs项目也通过创建一个模拟量子模拟工程师的新一代材料能够产生高度可调谐红外激光的追求。现代激光的波长或颜色由用于产生光的二极管中的元素决定。

但是，通过在层中生长含有不同浓度金属(如铝，镓和砷)的晶体，该项目背后的研究人员希望制造半导体材料，这些材料可以产生波长不可能的激光。这些器件称为量子级联激光器。

激光器

意大利佛罗伦萨国家光学研究所研究员Francesco Cappelli博士说，我们正在使用量子模拟来优化和获得能够改善目前量子级联激光器性能的新功能。 Qombs团队。

通过模拟电子和光子在不同结构和金属浓度下的表现，该团队希望能够更好地控制器件产生的光的波长。

如果成功，它可能会导致设备产生具有极长波长的光，这些光延伸到中红外和远红外线，这是目前无法实现的。

“这些可以用于通信，因为在这些波长下大气中的气体不能吸收光，”卡普利博士说。“不仅大气透明，而且与可见激光相比，由于湿度和灰尘引起的散射也减少了。”

将激光调谐到特定波长也可以使它们用于传感器中以检测特定气体，例如污染物或其他有害物质。

例如，调谐以发射具有被二氧化氮吸收的精确波长的光的量子级联激光器可用于精确测量城市区域中的气体水平。

“在经典计算机上设计具有这些特性的半导体晶体是不可能的，”Capelli博士说。

量子计算的力量

在传统计算机中，信息包含在二进制数字或位中，其中包含单个值1或0。

在量子系统中，亚原子粒子不仅可以存在于二进制1或0状态，而且它们同时具有1和0的多个组合以形成“量子比特”。由于量子比特可以同时为1,0或1和0，这意味着可以同时进行更多的计算。

更奇怪的是，成对的量子比特也会被纠缠在一起，这样当一个状态改变时，另一个状态会随之改变，即使它们被很远的距离分开。这种神秘现象以指数方式增加了量子机器的数字运算能力。