一種強大的新計算形式可以幫助科學家設計用于納米電子學的新型材料，允許航空公司解決復雜的后勤問題，以確保航班按時運行，并解決交通擁堵問題，以保持車輛在繁忙的道路上更自由地流動。

雖然現代數字計算機具有令人印象深刻的計算能力，但即便是最先進的超級計算機也存在一些問題。但研究人員認為，利用量子力學的新計算機可以控制微觀粒子如玻色子，費米子和任何物體的奇怪行為，可以在幾秒鐘內解決這些問題。

建立通用量子計算機已被證明是非常困難的，目前，只有少數昂貴的機器正在開發中。

一些科學家正采取另一種方法，建立稱為模擬量子模擬器的計算系統，試圖找到量子計算機承諾提供的一些答案的捷徑。

這些模擬器旨在通過模擬宇宙中最小粒子的行為來探索量子物理學的特定屬性。這反過來可以應用于解決更廣泛世界中的復雜問題，這些問題目前無法解決，或者可能需要一輩子才能使用經典計算機。

“我真正喜歡的類比是模擬量子模擬器有點像風洞，”英國斯特拉斯克萊德大學的物理學家Andrew Daley教授說，他是PASQuanS項目的成員。“幾十年前，無法模擬計算機上的氣流，因此您需要建立一個比例模型并將其放入風洞中。

'但是通過模擬量子模擬，縮放是另一種方式 - 而不是制作更小的版本，而是制作更大的版本。這使它更具可控性，因此更容易了解某些東西可能如何工作的細節。

放大

該項目匯集了來自歐洲各地的研究團隊，試圖建立一些迄今為止最強大的模擬量子模擬器，使用原子和離子作為亞原子粒子的放大模型。

例如，已經冷卻到絕對零度以上幾度的超冷原子可以懸浮在由激光形成的晶格中，以模擬電子如何在晶體中移動。到目前為止，最先進的量子模擬器在其模型中使用了大約100個超冷原子或多達20個離子，但該團隊希望將其系統增強到擁有超過1,000個原子和多達50個離子。

戴利教授表示，這可能會使這些模擬器的功率遠遠超過經典計算所能實現的功能，其時間尺度遠遠低于通過構建通用量子計算機所能實現的時間尺度。

一個關鍵的挑戰是使模擬器更具可控性和可編程性。參與該項目的研究人員正在開發控制原子的新技術，例如用激光“鑷子”捕獲它們，激發選擇原子進入高能態或移動它們以便它們以不同方式相互作用。

“可編程位是關于使這些系統高度可控，以良好校準的方式，在單個晶格位置，單個離子或單個原子的水平上，”Daley教授說。

雖然這些模擬器可以幫助物理學家解決關于量子系統中粒子行為的問題，但它們也可以用來解決更大的現實問題。

例如，量子退火算法利用量子物理學的怪癖，從而在改變能量狀態時亞原子粒子，原子和較大分子可以找到阻力最小的路徑。這可以比作試圖將球滾到山上以到達另一側的更深的山谷 - 如果球沒有給予足夠的推力，它將沒有能量到達山峰并且將簡單地向后滾。相比之下，量子粒子可以通過簡單地穿過它們來繞過它們必須克服的能量峰值。

優化

這種更容易找到低能態的能力意味著量子退火可用于尋找優化復雜交通網絡或復雜物流鏈的方法。

“我們可以從其他地方解決問題并將其映射到原子或離子之間的相互作用，”戴利教授說。“然后我們就可以開始提問，找到可能的最低能量配置。”

空中客車公司，道達爾公司，博世公司，法國電力公司(EDF)和西門子公司等大公司已經表示有興趣探索這種方法。這些公司的研究人員正在與該項目合作，試圖找到可應用于其商業運營的潛在應用。

例如，在飛機上，它可以用來幫助確保飛機和航空公司機組人員在正確的位置，以便航班順利運行。

它還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，以避免擁堵和減少污染。

“我們已經建立了一個最終用戶論壇，以獲得可以在模擬量子模擬平臺上實現的問題的具體想法，”戴利教授說。“這些是業界特別感興趣的大問題，我們可以模仿我們的系統。”

量子模擬器的強大功能不僅僅是尋找優化過程的方法。Daley教授及其同事表示，他們量子模擬器的首批應用之一將是幫助設計新材料，包括納米電子學和超導體。

這是后話了Qombs項目也通過創建一個模擬量子模擬工程師的新一代材料能夠產生高度可調諧紅外激光的追求。現代激光的波長或顏色由用于產生光的二極管中的元素決定。

但是，通過在層中生長含有不同濃度金屬(如鋁，鎵和砷)的晶體，該項目背后的研究人員希望制造半導體材料，這些材料可以產生波長不可能的激光。這些器件稱為量子級聯激光器。

激光器

意大利佛羅倫薩國家光學研究所研究員Francesco Cappelli博士說，我們正在使用量子模擬來優化和獲得能夠改善目前量子級聯激光器性能的新功能。 Qombs團隊。

通過模擬電子和光子在不同結構和金屬濃度下的表現，該團隊希望能夠更好地控制器件產生的光的波長。

如果成功，它可能會導致設備產生具有極長波長的光，這些光延伸到中紅外和遠紅外線，這是目前無法實現的。

“這些可以用于通信，因為在這些波長下大氣中的氣體不能吸收光，”卡普利博士說。“不僅大氣透明，而且與可見激光相比，由于濕度和灰塵引起的散射也減少了。”

將激光調諧到特定波長也可以使它們用于傳感器中以檢測特定氣體，例如污染物或其他有害物質。

例如，調諧以發射具有被二氧化氮吸收的精確波長的光的量子級聯激光器可用于精確測量城市區域中的氣體水平。

“在經典計算機上設計具有這些特性的半導體晶體是不可能的，”Capelli博士說。

量子計算的力量

在傳統計算機中，信息包含在二進制數字或位中，其中包含單個值1或0。

在量子系統中，亞原子粒子不僅可以存在于二進制1或0狀態，而且它們同時具有1和0的多個組合以形成“量子比特”。由于量子比特可以同時為1,0或1和0，這意味著可以同時進行更多的計算。

更奇怪的是，成對的量子比特也會被糾纏在一起，這樣當一個狀態改變時，另一個狀態會隨之改變，即使它們被很遠的距離分開。這種神秘現象以指數方式增加了量子機器的數字運算能力。