布鲁克海文国家实验室计算机科学家迈克尔·麦奎根(Michael McGuigan)说：想想看，如果我们教量子计算机做统计力学，我们能做什么？当时，麦奎根正在反思路德维希·玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann)，以及这位著名的物理学家，如何不得不大力捍卫他的统计力学理论。玻尔兹曼在19世纪末提出了他关于原子性质如何决定物质物理性质的想法，但他有一个异常巨大的障碍：当时甚至没有证明原子的存在。
同时期的人不接受他对原子和物理学观点所带来的疲惫和沮丧一直困扰着玻尔兹曼。今天，玻尔兹曼因子在物理学中得到了广泛的应用。玻尔兹曼因子计算的是相对于零能量而言，处于特定能量状态的粒子系统被发现的概率。例如，玻尔兹曼因子被用来在世界上最大的超级计算机上进行计算，以研究原子、分子和夸克“汤”的行为，这些计算是利用布鲁克海文实验室的相对论重离子对撞机和欧洲核子研究中心的大型强子对撞机等设施。
虽然要证明玻尔兹曼是对的，需要一场翻天覆地的变化，但计算机科学家现在正处于新一轮计算浪潮的边缘，他们正在实现从超级计算机到量子计算机的飞跃。这些量子计算机有可能解开物理学中一些最神秘的概念。而且，奇怪的是，这些所谓的奥秘可能对许多人来说有点熟悉。虽然大多数人都很熟悉时间和温度的概念，并且每天都会看它们几次，但事实证明，这些基本概念在物理学中仍然是个谜。
玻尔兹曼因子有助于对温度效应进行建模，这些温度效应可以用来预测和控制原子行为和物理性质，它们在经典计算机上效果很好。然而，在量子计算机上，计算中使用的量子逻辑门（类似于数字电路中的逻辑门）是用复数表示，而不是波尔兹曼因子，根据定义，波尔兹曼因子是实数。这一问题为McGuigan和学生/合著者Raffaele Miceli提供了一个有趣的问题，可以使用布鲁克海文实验室通过橡树岭国家实验室的IBM Q Hub访问IBM通用量子计算系统协议提供的量子计算试验台来解决。
这项合作允许布鲁克海文（以及网络中的其他人）访问IBM的商业量子系统，包括用于实验的20和53量子比特系统。在量子计算机上，还有另一种模拟有限温度的方法，称为热场动力学，它能够计算与时间和温度有关的量。在这种形式中，构造一个系统的双倍，称为热双倍，然后在量子计算机上进行计算，因为计算可以用复数的量子逻辑门来表示。最后，可以把双态相加，并产生一个有效的玻尔兹曼因子，用于有限温度下的计算。
形式主义也有一定的优点。例如，可以使用这种量子算法研究有限温度的影响，以及当时间和温度分开时，系统是如何实时演化的。一个缺点是，它需要比零温度计算多一倍的量子比特来处理双态。研究人员演示了如何在包含几个粒子的简单系统上，实现有限温度下温度场动力学的量子算法，并发现与经典计算完全一致，研究使用了经典和量子计算的资源，使用了Qiskit开源量子计算软件，这使得可以在云中创建研究人员的算法。
然后，Qiskit将该代码转换成与量子计算机进行实时通信的脉冲。运行经典算法的优化器进一步实现了传统系统和量子系统之间的往返。实验表明，量子系统有一个优势，那就是准确地表示实时计算，而不是从想象的时间旋转到实时来寻找结果。研究提供了一个系统如何进化的更真实的图景，可以把这个问题映射到量子模拟上，让它进化。量子宇宙学是麦吉根预计新的量子计算选择将产生深远影响的另一个领域。
尽管现代超级计算机在理解宇宙方面取得了许多进步，但一些物理系统仍然超出了它们的能力范围。数学上的复杂性，通常包括对全量子引力理论的解释，简直太大了，以至于无法获得精确的解。然而，一台真正的量子计算机，具备利用纠缠和叠加的能力，将为新的、更精确的算法提供更多的选择。量子系统可以实时实现路径积分，让科学家能够进行大规模的宇宙模拟。你可以想象出宇宙向前演化时计算出的波函数，而不需要先形成一个完整的量子引力理论。
再一次，使用Qiskit软件包和访问IBM Q硬件，McGuigan和布朗大学的学生Charles Kocher，使用经典计算方法和VQE混合进行了各种实验，包括一项检查与玻色子场（一种在现代宇宙学中发挥重要作用的假想粒子）耦合的引力与玻色子场耦合的系统实验。研究表明，混合VQE产生的波函数与Wheeler-Dewitt方程一致，Wheeler-Dewitt方程在数学上结合了量子力学和阿尔伯特·爱因斯坦的相对论。虽然早期的量子实验，导致了对物理学背后基础知识的不同视角。
但量子计算有望为解决影响能源部任务的长期问题做出重大贡献。其中，它可以成为揭示新材料、解决能源挑战或增加对高能物理和宇宙学基本理解的工具（如时间和温度）。反过来，这些变化可能会级联到更容易识别的领域。例如，药物开发者需要更多的量子力学来理解分子结构。量子计算机可以通过提供完整量子力学的模拟来实现发现，这将提供一个真正实用的观点。人们似乎总是对物理学背后的基础知识感兴趣，几千年来，公众一直对它感兴趣。目前，理论专业知识和实际技术的结合正在与量子计算融合。
然而，这仍然是一项非常人性化的努力。目前，使用近期量子计算机来解决小的热场问题或重新审视旧宇宙，正在激励研究人员在科学上做更大事情的同时，扩大算法。世界各地的其他组织，如加拿大的周长研究所和荷兰的阿姆斯特丹大学，已经在将热场双量子算法扩展到更大的系统。随着50-100量子位的大型近期量子计算机出现，目标是在涉及许多粒子的现实系统上运行有限的温度模拟。有一台真正的量子计算机来测试这些曾经没有解决方案的想法和问题令人兴奋。
博科园｜研究/来自：布鲁克海文国家实验室
参考期刊《NYSDS》
DOI: 10.1109/NYSDS.2018.8538963
DOI: 10.1109/NYSDS.2019.8909787
