它解決了普通筆記型電腦被認為需要量子電腦的問題

這項工作是由西蒙斯基金會熨斗研究所計算量子物理中心（CCQ）的研究人員與波士頓大學的合作者共同完成的。他們的方法足夠有效，可以在個人筆記型電腦上運行一些計算。

透過從傳統硬體中提取更多的運算能力，這種方法可以擴大科學家可以研究的量子動力學問題的範圍。它還可以為研究人員需要在許多可能的解決方案中確定最佳答案的最佳化問題提供有用的策略。

研究結果發表在期刊上 科學。

模擬數百個相互作用的量子位

該挑戰涉及對數百個相互作用的「量子位元」進行建模，這是傳統電腦使用的位元的量子等價物。量子位元排列成正方形、立方體或菱形晶格。

普通位元儲存 0 或 1。然而，量子位元可以以多種狀態的疊加形式存在。這項特性賦予了量子系統不同尋常的能力，但也使得它們的行為很難在經典電腦上重現。

也發表在 2025 年 3 月的文章中 科學另一個研究小組報告使用量子電腦來計算特別複雜的量子位元系統的動力學。該小組認為，沒有任何經典計算機可以與這項成就相提並論。

「每當我們（在 CCQ）看到這類說法時，我們總是有點懷疑，」CCQ 研究員兼新《科學》論文的第一作者 Joseph Tindall 說。 “說，’你試過這個嗎？你試過那個嗎？’”

對於 CCQ 研究人員來說，這一說法提供了一種令人信服的方法來測試他們的技術極限。

該研究的作者兼 CCQ 研究員 Miles Stoudenmire 表示，這個問題使他們能夠拿出工具「進行測試」。 「我們本可以選擇一個更隨意的目標，」史塔登邁爾說。 “但是‘為什麼不選擇這個有很大主張的呢？’”

量子糾纏的挑戰

最大的障礙之一是量子糾纏。當量子位元糾纏時，即使量子位元相距很遠，它們的屬性仍然保持聯繫。因此，研究人員無法獨立對每個量子位元進行建模。

相反，需要複雜的演算法來描述整個系統。

「當大量粒子通過量子物理學相互作用時，就會產生描述系統狀態的波函數，」廷德爾說。 “這個巨大的物體隨著粒子的增加而變得越來越大。”

波函數包含描述量子系統所需的信息，但它的大小隨著更多粒子的添加而呈指數增長。

隨著波函數的大小呈指數級增長，「我無法將其直接儲存在我的電腦上，」他說。處理如此巨大的波函數是量子物理學中反覆出現的問題。然而，這些計算對於預測包括超導體在內的量子材料的行為至關重要。

壓縮龐大的量子系統

研究人員透過開發和應用基於張量網路的新工具克服了這一障礙。這些數學結構壓縮波函數中包含的信息，以便更有效地處理它。

Tindall“將所有這些資訊與您獲取的波函數的 zip 檔案進行比較，並將其壓縮到這個數學資料結構中，其中充滿了這些相互關聯的數字小表。”

這種壓縮管理了經典計算機上的模擬。 Tindall 使用 ITensor（CCQ 創建的高效能張量網路軟體庫）在筆記型電腦上執行了許多首次計算。

新的模擬展示了 ITensor 團隊如何將張量技術應用於新類型的問題。在這種情況下，研究人員使用 3D 張量網路對三維量子動力學進行建模。

「這種非常強烈的壓縮非常有效，但它是一個非常複雜的數學對象，」廷德爾說。 「這確實是一個限制，因為處理這些物件——尤其是在三維空間中——是非常不為人知的。你需要複雜的程式碼和演算法來處理它們；這本身就是一個軟體工程挑戰。”

舊演算法找到了新用途

許多模擬只需要相對較少的計算資源。在最初的計算中，廷德爾使用了信念傳播，這是 20 世紀 80 年代開發的演算法，研究人員最近已將其應用於量子系統。

「它比其他方法更近似一些，但它便宜得多，而且我們可以在解決更困難的問題時更正確地運行它，」斯塔登邁爾說。

他對比了“我們領域過去更複雜的方法”，這些方法“甚至無法開始解決其中一些三維問題，因為它們太大了”。

儘管硬體不高，但結果仍達到了最先進的準確度水平。模擬產生的解決方案與理論預測相匹配，並且在可以驗證正確答案的較小問題上效果很好。

最重要的是，結果與先前使用量子電腦所獲得的結果一致。不同之處在於，新的計算不需要量子硬體。

經典計算和量子計算可以協同工作

這些發現加劇了關於經典計算在哪裡結束、量子邊緣從哪裡開始的爭論。不過，廷德爾和史塔登邁爾強調，這兩個領域並不互相競爭。

經典模擬可以幫助研究人員了解量子電腦的能力，而量子硬體的進步可以激發新的經典方法。

「經典計算和量子計算之間的爭論的好處在於，我們感興趣的模擬、我們編寫的程式碼以及在這些量子電腦上可以做什麼之間存在著很多協同作用，」廷德爾說。 “這可以幫助指導我們，也可以幫助指導量子計算研究人員，因為顯然我們模擬某些事物的進入門檻比他們容易得多，因為我們不必構建量子計算機。我只需編寫一些代碼並在我的個人計算機上點擊“運行”即可。”

下一個量子模擬挑戰

研究人員現在正在開發超越僅由量子位元組成的系統的方法。他們的下一個目標是模擬可以在不同位置之間移動的電子。

這些系統更難模擬，但它們也與理解真實的量子材料直接相關。

「從數量上來說，它們確實是更難的問題，」斯塔德邁爾說。 “所以這是我們想要清除的下一個大障礙之一。”