中国科学技术大学中国科学院量子信息重点实验室　易 为

　　量子世界的规律与我们习以为常的经典规律是完全不一样的。在过去的一百多年里，随着实验技术的发展，这一点在实验室中得到反复验证。由于量子叠加的存在，量子世界显得比经典世界更加丰富且难以刻画。美国物理学家费曼在三十多年前就指出[1]，用经典的计算机来描述刻画量子多体系统有着根本性的困难：随着量子系统中粒子的增加，用来刻画系统的经典计算所需的资源会呈指数增长。费曼也富有前瞻性地提出，一种可能的解决方案是利用所谓的量子模拟器。量子模拟器遵循量子力学规律，所以它消耗的资源随系统粒子数的增加只是多项式型的增长。随着实验技术的发展，今天，费曼的想法也许即将变成现实。
　　一般说来量子模拟器所要解决的问题都与描述多体系统的量子态的时间演化相关，比如通过实时演化来考察体系的动力学过程，或者通过虚时演化求解物理模型的基态等等。针对这些应用，量子模拟器大概可以分成两种：数字式的和模拟式的。顾名思义，数字式的模拟把系统的时间演化过程离散化成很多很短的时间段。在每一个离散的时段内，系统的演化过程都能用简单的模型近似描述。换句话说，这相当于把系统的时间演化近似成一系列简单的量子门操作，而不同系统的特性就体现在量子门操作的选择上。事实上，这也正是当初费曼所构想的量子模拟器。而另一种更现实、要求更低的可能性是所谓的模拟式的量子模拟器。在这样的量子模拟器中，我们不需要把系统的时间演化抽象成一系列离散的操作，而只需要在某个具体的物理系统中实现与所要研究的多体模型对应的物理过程就可以了。基于当前的实验技术发展，这样的物理系统可以是超冷原子气体，束缚在势场中的离子，超导电路QED等等。显然，这两种量子模拟器都还不足以被称为量子计算机，但它们在处理很多特定的问题时，应该会比经典的计算机更有效率。
　　正如Zoller和Cirac[2]指出的一样，一个合格的量子模拟器应该能够具有如下几个要素。首先，模拟器的主体应该是一个遵循量子力学原理的量子系统。其次，量子模拟器应该能够实现初态的制备和时间演化过程中参数的自由调控。同时，在演化结束后，我们应该能够通过对量子系统末态性质的测量读出我们想要的结果。这几点是对实现量子模拟器的物理系统的约束。最后，我们应该有方法对量子模拟器的计算结果进行验证。这几点里面，也许最后一点是最重要同时也是最难的。正像我们之前提到的，我们希望量子模拟器能够提供经典计算机所不能提供的信息。所以，通过经典计算来验证量子模拟器的结果是不现实的。但正如科学自身发展的规律一样，我们原则上不可能证明某个科学规律是百分之百正确的。我们所能做的只是通过实验观测反复验证它在各种参数下的适用性。所以，原则上，量子模拟器的结果可以通过基于不同量子系统，甚至不同类型的模拟器的反复验证来加以检验。
　　当前，量子模拟已经成为物理学中最热门的方向之一，各种理论方案和实验系统层出不穷。在某种程度上，小规模的量子模拟已经成为现实。当然，这样的系统仍然可以通过经典计算机来模拟，这些实验尝试则可以看成更复杂的量子模拟器的雏形。也许在不久的将来，我们就会见到真正超越了经典计算机的量子模拟器，这是通往量子计算机的更为漫长的征程上的必经之路。
　　
参考文献
　　[1] R. P. Feynman, Int. J. Theor. Phys. 21, 467 (1982).
　　[2] J. I. Cirac, P. Zoller, Nat. Phys. 8, 264 (2012).