導(dǎo)語(yǔ)

量子計(jì)算的新進(jìn)展，中國(guó)科大首次實(shí)現(xiàn)超越了當(dāng)前經(jīng)典計(jì)算機(jī)的費(fèi)米子哈伯德模型，這也為量子計(jì)算在材料研究中的應(yīng)用打開(kāi)了新的一扇大門(mén)。

費(fèi)米子哈伯德模型模擬的費(fèi)米子行為，它是我們理解復(fù)雜的電子行為的基礎(chǔ)，而量子計(jì)算機(jī)能夠在當(dāng)前經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)能為力的復(fù)雜問(wèn)題上有不小的突破。

那么中國(guó)科大在費(fèi)米子哈伯德模型方面實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的突破是什么?

這又是如何應(yīng)用到材料研究中的呢?

量子計(jì)算 新進(jìn)展。

量子計(jì)算的兩大要素之一就是量子比特，量子比特由于能夠同時(shí)處于0和1的狀態(tài)，因此它所能表現(xiàn)出的狀態(tài)就會(huì)有指數(shù)級(jí)別的增長(zhǎng)，這樣就構(gòu)成了量子計(jì)算機(jī)在解決困難問(wèn)題的方面有優(yōu)勢(shì)，但是量子計(jì)算機(jī)的頻繁錯(cuò)誤問(wèn)題一直沒(méi)有被解決，這使得量子計(jì)算機(jī)無(wú)法超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

但是我國(guó)率先在“星火計(jì)劃”中提出來(lái)了糾纏態(tài)計(jì)算的量子計(jì)算結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)就是能保證量子比特之間的錯(cuò)誤率低于1%。

并且此前廬州月的量子計(jì)算機(jī)團(tuán)隊(duì)也實(shí)現(xiàn)了100量子比特的糾纏狀態(tài)，這兩者的結(jié)合，就大大降低了量子計(jì)算機(jī)中錯(cuò)誤率的出現(xiàn)頻率，因此在這條路上已經(jīng)讓我國(guó)量子計(jì)算機(jī)距離超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)更近了一步。

但我國(guó)科學(xué)家在量子計(jì)算結(jié)構(gòu)上的突破還不僅于此，現(xiàn)如今，中國(guó)科學(xué)院的量子計(jì)算機(jī)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超越了當(dāng)前經(jīng)典計(jì)算機(jī)的費(fèi)米子哈伯德模型，這也讓我國(guó)在量子計(jì)算方向的科研更加具有自身實(shí)力，而不是全依賴于他人的發(fā)展路線。

費(fèi)米子哈伯德模型模擬的是費(fèi)米子行為，它是我們理解復(fù)雜的電子行為的基礎(chǔ)，沒(méi)有它，我們將無(wú)法理解那些有著很多價(jià)帶能級(jí)的材料，并且理解不了超導(dǎo)電性等諸多詭異的現(xiàn)象。

但是費(fèi)米子哈伯德模型擁有巨大的雜質(zhì)問(wèn)題，它僅僅有不多的幾個(gè)量子位，但是這些量子位卻非常復(fù)雜，這導(dǎo)致哈伯德模型的計(jì)算難度就迅速上升，而量子計(jì)算機(jī)正好就能解決這些千頭萬(wàn)緒的復(fù)雜問(wèn)題。

據(jù)測(cè)算，哈伯德模型的雜質(zhì)問(wèn)題本可以被經(jīng)典計(jì)算機(jī)算出來(lái)，但是需要消耗100兆字節(jié)的內(nèi)存，但是經(jīng)過(guò)量子計(jì)算機(jī)計(jì)算，只需要1兆字節(jié)內(nèi)存，這樣就導(dǎo)致量子計(jì)算速度要快100倍。

但是雜質(zhì)問(wèn)題只是其中一個(gè)問(wèn)題，實(shí)際上，費(fèi)米子哈伯德模型中的參數(shù)還有很多種可能性，通常來(lái)說(shuō)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)并不能算出費(fèi)米子哈伯德模型的參數(shù)狀態(tài)，因?yàn)樗鼈兛赡苡兄浅６嗟膮?shù)組合，這些參數(shù)無(wú)法通過(guò)計(jì)算進(jìn)行區(qū)分，而量子計(jì)算機(jī)可以將這些參數(shù)組合進(jìn)行區(qū)分，從而讓費(fèi)米子哈伯德模型的計(jì)算變得更加簡(jiǎn)單。

但是費(fèi)米子哈伯德模型的復(fù)雜問(wèn)題也讓量子計(jì)算機(jī)很難實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)問(wèn)題的快速解決，但是我國(guó)科學(xué)家的雜質(zhì)問(wèn)題的突破就讓我們看到了量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)希望。

超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的費(fèi)米子哈伯德模型。

費(fèi)米子哈伯德模型是一個(gè)非常關(guān)鍵的模型，因?yàn)樗梢杂糜谀M費(fèi)米子行為，而費(fèi)米子行為又是我們?cè)趶?fù)雜電子行為上的一個(gè)基礎(chǔ)，沒(méi)有它，很難理解諸如“電子云”等現(xiàn)象。

費(fèi)米子哈伯德模型主要用于材料科學(xué)，它主要用于材料的基本研究問(wèn)題，比如電子的活動(dòng)行為。

費(fèi)米子哈伯德模型的基本組成就是在一些限定條件下，對(duì)電子的運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行模擬研究的理論模型，而它在研究電子的基本活動(dòng)行為方面有著舉足輕重的意義。

在實(shí)際應(yīng)用中，費(fèi)米子哈伯德模型中要解出的未知量眾多，而大部分的未知量卻不是指數(shù)爆炸的，這樣就導(dǎo)致費(fèi)米子哈伯德模型實(shí)際上是可以用經(jīng)典計(jì)算機(jī)算出來(lái)的。

但是這并不意味著量子計(jì)算機(jī)就沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，實(shí)際上，無(wú)論是解決費(fèi)米子哈伯德模型的指數(shù)增長(zhǎng)的復(fù)雜問(wèn)題還是解決最優(yōu)化問(wèn)題，量子計(jì)算機(jī)都有著很大的優(yōu)勢(shì)。

解決費(fèi)米子哈伯德模型的超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)，首先要解決的就是指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的復(fù)雜問(wèn)題。

費(fèi)米子哈伯德模型中常用的哈密頓量是一個(gè)大型的矩陣，這個(gè)矩陣的大小就是費(fèi)米子哈伯德模型中的未知量，而這個(gè)未知量就是指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的，解出這個(gè)矩陣的本征值就是解出了費(fèi)米子哈伯德模型中的未知量。

當(dāng)前，國(guó)際上最快的經(jīng)典算法復(fù)雜度是O(2^nn^3)，但是量子計(jì)算機(jī)的復(fù)雜度可以用O(2^npoly(n))來(lái)表示，這其中的差異就是量子計(jì)算機(jī)有著很大優(yōu)勢(shì)的原因之一。

但是，隨著量子計(jì)算機(jī)技術(shù)逐漸深入，國(guó)際上一直在紛紛提出更有效的解決費(fèi)米子哈伯德模型的經(jīng)典計(jì)算機(jī)算法，這也就促使國(guó)內(nèi)量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)在解決費(fèi)米子哈伯德模型問(wèn)題上迫在眉睫了。

在費(fèi)米子哈伯德模型中存在一個(gè)重要的參數(shù)，它就是溫度，溫度對(duì)于費(fèi)米子哈伯德模型的參數(shù)有著重要的影響，國(guó)際上經(jīng)典的算法常常是著重解決溫度為零時(shí)的參數(shù)，而在蓄謀哈伯德模型的研究過(guò)程中，國(guó)內(nèi)科學(xué)家意識(shí)到，量子計(jì)算機(jī)可以處理溫度不為零時(shí)的參數(shù)，這個(gè)溫度不為零的參數(shù)是國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)率先處理并取得突破的關(guān)鍵。

費(fèi)米子哈伯德模型的雜質(zhì)問(wèn)題是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，一般來(lái)說(shuō)，都需要進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)模擬，但是這樣算出來(lái)的結(jié)果是非常慢的，因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)學(xué)模式需要進(jìn)行大量的計(jì)算，因此我國(guó)科學(xué)家在處理節(jié)奏問(wèn)題的過(guò)程中，就是通過(guò)將統(tǒng)計(jì)學(xué)模擬進(jìn)行了量子模擬，從而大大的加速了處理的進(jìn)度。

費(fèi)米子哈伯德模型是模擬原子之間的相互作用的一個(gè)雜質(zhì)問(wèn)題，現(xiàn)如今計(jì)算原子之間的相互作用是一個(gè)非常困難的問(wèn)題，它主要受限于計(jì)算機(jī)內(nèi)存的限制，因此，要想計(jì)算原子之間的相互作用，我們就需要有強(qiáng)大的性能的超算。

但是，現(xiàn)在我們可以用量子計(jì)算來(lái)進(jìn)行原子相互作用的計(jì)算，這樣一來(lái)，我們可以通過(guò)量子計(jì)算機(jī)算出原子之間的相互作用，從而讓費(fèi)米子哈伯德模型的解出變得更加簡(jiǎn)單，并且費(fèi)米子哈伯德模型的計(jì)算在材料科學(xué)中十分重要，因?yàn)橘M(fèi)米子哈伯德模型不僅能幫助我們研究材料的基本問(wèn)題，還能幫助我們研究材料的特殊性。

量子計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用。

在材料研究過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)碰到一些特殊現(xiàn)象，比如超導(dǎo)現(xiàn)象，但是這些特殊現(xiàn)象通常需要費(fèi)米子哈伯德模型來(lái)進(jìn)行解釋，然而，我們要解決這些特殊現(xiàn)象，需要進(jìn)行大量的計(jì)算。

量子計(jì)算機(jī)如果能夠?qū)崿F(xiàn)超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的突破，那么在研究材料科學(xué)方面，將會(huì)發(fā)揮重要的作用。

實(shí)際上，除了在材料科學(xué)方面有應(yīng)用之外，費(fèi)米子哈伯德模型還有許許多多的應(yīng)用，其中一個(gè)就是解決最優(yōu)化問(wèn)題。

在材料科學(xué)方面，最有名的最優(yōu)化問(wèn)題就是物質(zhì)的優(yōu)選配方問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題一般通過(guò)費(fèi)米子哈伯德模型來(lái)尋優(yōu)。

在實(shí)驗(yàn)室里，通常會(huì)有很多材料組分，而這些材料組分的價(jià)差非常大，因此，找到一種更好的優(yōu)化配方，材料就可以更好的進(jìn)行應(yīng)用。

而找到這種更好的優(yōu)化配方，就是要找到一種更好的費(fèi)米子哈伯德模型參數(shù)，當(dāng)然，希望是這個(gè)參數(shù)的價(jià)差更大，這樣在尋優(yōu)的時(shí)候，可以更快的找到一種更好的優(yōu)化配方。

經(jīng)典計(jì)算機(jī)通常是通過(guò)增加耗費(fèi)的內(nèi)存來(lái)解決費(fèi)米子哈伯德模型中的矩陣大小，但是這種增加的內(nèi)存是逐漸超過(guò)大部分計(jì)算機(jī)內(nèi)存的，因此很難進(jìn)行運(yùn)算。

而量子計(jì)算機(jī)通常是在不斷保持內(nèi)存中的情況下，不斷減小計(jì)算時(shí)間，這樣就能非常方便的解決當(dāng)前經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題，因此，量子計(jì)算機(jī)在日常應(yīng)用中也有著廣泛的應(yīng)用范圍。

結(jié)語(yǔ)

我國(guó)在量子計(jì)算方面取得超越突破，這是一件值得慶賀的事。

隨著量子計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷突破，相信在不久的將來(lái)量子計(jì)算機(jī)會(huì)取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)，成為我們工作學(xué)習(xí)的新工具。