量子計(jì)算(suàn)的新進展，中國科大(dà)首次實現超越了當前經典計(jì)算(suàn)機的費米子哈伯德模型，這也為(wèi)量子計(jì)算(suàn)在材料研究中的應用打開(kāi)了新的一扇大(dà)門(mén)。
費米子哈伯德模型模拟的費米子行(xíng)為(wèi)，它是我們理(lǐ)解複雜的電(diàn)子行(xíng)為(wèi)的基礎，而量子計(jì)算(suàn)機能夠在當前經典計(jì)算(suàn)機無能為(wèi)力的複雜問題上(shàng)有(yǒu)不小(xiǎo)的突破。
那(nà)麽中國科大(dà)在費米子哈伯德模型方面實現超越經典計(jì)算(suàn)機的突破是什麽?
這又是如何應用到材料研究中的呢?
量子計(jì)算(suàn)的兩大(dà)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(hé)1的狀态，因此它所能表現出的狀态就會(huì)有(yǒu)指數(shù)級别的增長，這樣就構成了量子計(jì)算(suàn)機在解決困難問題的方面有(yǒu)優勢，但(dàn)是量子計(jì)算(suàn)機的頻繁錯誤問題一直沒有(yǒu)被解決，這使得(de)量子計(jì)算(suàn)機無法超越經典計(jì)算(suàn)機。
但(dàn)是我國率先在“星火(huǒ)計(jì)劃”中提出來(lái)了糾纏态計(jì)算(suàn)的量子計(jì)算(suàn)結構，這一結構最大(dà)的特點就是能保證量子比特之間(jiān)的錯誤率低(dī)于1%。
并且此前廬州月的量子計(jì)算(suàn)機團隊也實現了100量子比特的糾纏狀态，這兩者的結合，就大(dà)大(dà)降低(dī)了量子計(jì)算(suàn)機中錯誤率的出現頻率，因此在這條路上(shàng)已經讓我國量子計(jì)算(suàn)機距離超越經典計(jì)算(suàn)機更近了一步。
但(dàn)我國科學家(jiā)在量子計(jì)算(suàn)結構上(shàng)的突破還(hái)不僅于此，現如今，中國科學院的量子計(jì)算(suàn)機團隊已經實現了超越了當前經典計(jì)算(suàn)機的費米子哈伯德模型，這也讓我國在量子計(jì)算(suàn)方向的科研更加具有(yǒu)自身實力，而不是全依賴于他人(rén)的發展路線。
費米子哈伯德模型模拟的是費米子行(xíng)為(wèi)，它是我們理(lǐ)解複雜的電(diàn)子行(xíng)為(wèi)的基礎，沒有(yǒu)它，我們将無法理(lǐ)解那(nà)些(xiē)有(yǒu)着很(hěn)多(duō)價帶能級的材料，并且理(lǐ)解不了超導電(diàn)性等諸多(duō)詭異的現象。
但(dàn)是費米子哈伯德模型擁有(yǒu)巨大(dà)的雜質問題，它僅僅有(yǒu)不多(duō)的幾個(gè)量子位，但(dàn)是這些(xiē)量子位卻非常複雜，這導緻哈伯德模型的計(jì)算(suàn)難度就迅速上(shàng)升，而量子計(jì)算(suàn)機正好就能解決這些(xiē)千頭萬緒的複雜問題。
據測算(suàn)，哈伯德模型的雜質問題本可(kě)以被經典計(jì)算(suàn)機算(suàn)出來(lái)，但(dàn)是需要消耗100兆字節的內(nèi)存，但(dàn)是經過量子計(jì)算(suàn)機計(jì)算(suàn)，隻需要1兆字節內(nèi)存，這樣就導緻量子計(jì)算(suàn)速度要快100倍。
但(dàn)是雜質問題隻是其中一個(gè)問題，實際上(shàng)，費米子哈伯德模型中的參數(shù)還(hái)有(yǒu)很(hěn)多(duō)種可(kě)能性，通(tōng)常來(lái)說，經典計(jì)算(suàn)機并不能算(suàn)出費米子哈伯德模型的參數(shù)狀态，因為(wèi)它們可(kě)能有(yǒu)着非常多(duō)的參數(shù)組合，這些(xiē)參數(shù)無法通(tōng)過計(jì)算(suàn)進行(xíng)區(qū)分，而量子計(jì)算(suàn)機可(kě)以将這些(xiē)參數(shù)組合進行(xíng)區(qū)分，從而讓費米子哈伯德模型的計(jì)算(suàn)變得(de)更加簡單。
但(dàn)是費米子哈伯德模型的複雜問題也讓量子計(jì)算(suàn)機很(hěn)難實現雜質問題的快速解決，但(dàn)是我國科學家(jiā)的雜質問題的突破就讓我們看到了量子計(jì)算(suàn)機的一個(gè)希望。
費米子哈伯德模型是一個(gè)非常關鍵的模型，因為(wèi)它可(kě)以用于模拟費米子行(xíng)為(wèi)，而費米子行(xíng)為(wèi)又是我們在複雜電(diàn)子行(xíng)為(wèi)上(shàng)的一個(gè)基礎，沒有(yǒu)它，很(hěn)難理(lǐ)解諸如“電(diàn)子雲”等現象。
費米子哈伯德模型主要用于材料科學，它主要用于材料的基本研究問題，比如電(diàn)子的活動行(xíng)為(wèi)。
費米子哈伯德模型的基本組成就是在一些(xiē)限定條件下，對電(diàn)子的運動行(xíng)為(wèi)進行(xíng)模拟研究的理(lǐ)論模型，而它在研究電(diàn)子的基本活動行(xíng)為(wèi)方面有(yǒu)着舉足輕重的意義。
在實際應用中，費米子哈伯德模型中要解出的未知量衆多(duō)，而大(dà)部分的未知量卻不是指數(shù)爆炸的，這樣就導緻費米子哈伯德模型實際上(shàng)是可(kě)以用經典計(jì)算(suàn)機算(suàn)出來(lái)的。
但(dàn)是這并不意味着量子計(jì)算(suàn)機就沒有(yǒu)優勢，實際上(shàng)，無論是解決費米子哈伯德模型的指數(shù)增長的複雜問題還(hái)是解決最優化問題，量子計(jì)算(suàn)機都有(yǒu)着很(hěn)大(dà)的優勢。
解決費米子哈伯德模型的超越經典計(jì)算(suàn)機，首先要解決的就是指數(shù)級增長的複雜問題。
費米子哈伯德模型中常用的哈密頓量是一個(gè)大(dà)型的矩陣，這個(gè)矩陣的大(dà)小(xiǎo)就是費米子哈伯德模型中的未知量，而這個(gè)未知量就是指數(shù)級增長的，解出這個(gè)矩陣的本征值就是解出了費米子哈伯德模型中的未知量。
當前，國際上(shàng)最快的經典算(suàn)法複雜度是O(2^nn^3)，但(dàn)是量子計(jì)算(suàn)機的複雜度可(kě)以用O(2^npoly(n))來(lái)表示，這其中的差異就是量子計(jì)算(suàn)機有(yǒu)着很(hěn)大(dà)優勢的原因之一。
但(dàn)是，随着量子計(jì)算(suàn)機技(jì)術(shù)逐漸深入，國際上(shàng)一直在紛紛提出更有(yǒu)效的解決費米子哈伯德模型的經典計(jì)算(suàn)機算(suàn)法，這也就促使國內(nèi)量子計(jì)算(suàn)團隊在解決費米子哈伯德模型問題上(shàng)迫在眉睫了。
在費米子哈伯德模型中存在一個(gè)重要的參數(shù)，它就是溫度，溫度對于費米子哈伯德模型的參數(shù)有(yǒu)着重要的影(yǐng)響，國際上(shàng)經典的算(suàn)法常常是着重解決溫度為(wèi)零時(shí)的參數(shù)，而在蓄謀哈伯德模型的研究過程中，國內(nèi)科學家(jiā)意識到，量子計(jì)算(suàn)機可(kě)以處理(lǐ)溫度不為(wèi)零時(shí)的參數(shù)，這個(gè)溫度不為(wèi)零的參數(shù)是國內(nèi)團隊率先處理(lǐ)并取得(de)突破的關鍵。
費米子哈伯德模型的雜質問題是一個(gè)非常複雜的問題，一般來(lái)說，都需要進行(xíng)統計(jì)學模拟，但(dàn)是這樣算(suàn)出來(lái)的結果是非常慢的，因為(wèi)統計(jì)學模式需要進行(xíng)大(dà)量的計(jì)算(suàn)，因此我國科學家(jiā)在處理(lǐ)節奏問題的過程中，就是通(tōng)過将統計(jì)學模拟進行(xíng)了量子模拟，從而大(dà)大(dà)的加速了處理(lǐ)的進度。
費米子哈伯德模型是模拟原子之間(jiān)的相互作(zuò)用的一個(gè)雜質問題，現如今計(jì)算(suàn)原子之間(jiān)的相互作(zuò)用是一個(gè)非常困難的問題，它主要受限于計(jì)算(suàn)機內(nèi)存的限制(zhì)，因此，要想計(jì)算(suàn)原子之間(jiān)的相互作(zuò)用，我們就需要有(yǒu)強大(dà)的性能的超算(suàn)。
但(dàn)是，現在我們可(kě)以用量子計(jì)算(suàn)來(lái)進行(xíng)原子相互作(zuò)用的計(jì)算(suàn)，這樣一來(lái)，我們可(kě)以通(tōng)過量子計(jì)算(suàn)機算(suàn)出原子之間(jiān)的相互作(zuò)用，從而讓費米子哈伯德模型的解出變得(de)更加簡單，并且費米子哈伯德模型的計(jì)算(suàn)在材料科學中十分重要，因為(wèi)費米子哈伯德模型不僅能幫助我們研究材料的基本問題，還(hái)能幫助我們研究材料的特殊性。
在材料研究過程中，經常會(huì)碰到一些(xiē)特殊現象，比如超導現象，但(dàn)是這些(xiē)特殊現象通(tōng)常需要費米子哈伯德模型來(lái)進行(xíng)解釋，然而，我們要解決這些(xiē)特殊現象，需要進行(xíng)大(dà)量的計(jì)算(suàn)。
量子計(jì)算(suàn)機如果能夠實現超越經典計(jì)算(suàn)機的突破，那(nà)麽在研究材料科學方面，将會(huì)發揮重要的作(zuò)用。
實際上(shàng)，除了在材料科學方面有(yǒu)應用之外，費米子哈伯德模型還(hái)有(yǒu)許許多(duō)多(duō)的應用，其中一個(gè)就是解決最優化問題。
在材料科學方面，最有(yǒu)名的最優化問題就是物質的優選配方問題，這個(gè)問題一般通(tōng)過費米子哈伯德模型來(lái)尋優。
在實驗室裏，通(tōng)常會(huì)有(yǒu)很(hěn)多(duō)材料組分，而這些(xiē)材料組分的價差非常大(dà)，因此，找到一種更好的優化配方，材料就可(kě)以更好的進行(xíng)應用。
而找到這種更好的優化配方，就是要找到一種更好的費米子哈伯德模型參數(shù)，當然，希望是這個(gè)參數(shù)的價差更大(dà)，這樣在尋優的時(shí)候，可(kě)以更快的找到一種更好的優化配方。
經典計(jì)算(suàn)機通(tōng)常是通(tōng)過增加耗費的內(nèi)存來(lái)解決費米子哈伯德模型中的矩陣大(dà)小(xiǎo)，但(dàn)是這種增加的內(nèi)存是逐漸超過大(dà)部分計(jì)算(suàn)機內(nèi)存的，因此很(hěn)難進行(xíng)運算(suàn)。
而量子計(jì)算(suàn)機通(tōng)常是在不斷保持內(nèi)存中的情況下，不斷減小(xiǎo)計(jì)算(suàn)時(shí)間(jiān)，這樣就能非常方便的解決當前經典計(jì)算(suàn)機無法解決的問題，因此，量子計(jì)算(suàn)機在日常應用中也有(yǒu)着廣泛的應用範圍。
我國在量子計(jì)算(suàn)方面取得(de)超越突破，這是一件值得(de)慶賀的事。
随着量子計(jì)算(suàn)機技(jì)術(shù)的不斷突破，相信在不久的将來(lái)量子計(jì)算(suàn)機會(huì)取代經典計(jì)算(suàn)機，成為(wèi)我們工作(zuò)學習的新工具。
