導語

量子計算(suàn)的(de)新進展，中國科大(dà)首次實現超越了(le)當前經典計算(suàn)機的(de)費米子哈伯德模型，這(zhè)也(yě)爲量子計算(suàn)在材料研究中的(de)應用(yòng)打開了(le)新的(de)一扇大(dà)門。

費米子哈伯德模型模拟的(de)費米子行爲，它是我們理(lǐ)解複雜(zá)的(de)電子行爲的(de)基礎，而量子計算(suàn)機能夠在當前經典計算(suàn)機無能爲力的(de)複雜(zá)問題上有不小的(de)突破。

那麽中國科大(dà)在費米子哈伯德模型方面實現超越經典計算(suàn)機的(de)突破是什(shén)麽?

這(zhè)又是如何應用(yòng)到材料研究中的(de)呢(ne)?

量子計算(suàn) 新進展。

量子計算(suàn)的(de)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(de)狀态，因此它所能表現出的(de)狀态就會有指數級别的(de)增長(cháng)，這(zhè)樣就構成了(le)量子計算(suàn)機在解決困難問題的(de)方面有優勢，但是量子計算(suàn)機的(de)頻(pín)繁錯誤問題一直沒有被解決，這(zhè)使得(de)量子計算(suàn)機無法超越經典計算(suàn)機。

但是我國率先在“星火計劃”中提出來(lái)了(le)糾纏态計算(suàn)的(de)量子計算(suàn)結構，這(zhè)一結構最大(dà)的(de)特點就是能保證量子比特之間的(de)錯誤率低于1%。

并且此前廬州月(yuè)的(de)量子計算(suàn)機團隊也(yě)實現了(le)100量子比特的(de)糾纏狀态，這(zhè)兩者的(de)結合，就大(dà)大(dà)降低了(le)量子計算(suàn)機中錯誤率的(de)出現頻(pín)率，因此在這(zhè)條路上已經讓我國量子計算(suàn)機距離超越經典計算(suàn)機更近了(le)一步。

但我國科學家在量子計算(suàn)結構上的(de)突破還(hái)不僅于此，現如今，中國科學院的(de)量子計算(suàn)機團隊已經實現了(le)超越了(le)當前經典計算(suàn)機的(de)費米子哈伯德模型，這(zhè)也(yě)讓我國在量子計算(suàn)方向的(de)科研更加具有自身實力，而不是全依賴于他(tā)人(rén)的(de)發展路線。

費米子哈伯德模型模拟的(de)是費米子行爲，它是我們理(lǐ)解複雜(zá)的(de)電子行爲的(de)基礎，沒有它，我們将無法理(lǐ)解那些有著(zhe)很多(duō)價帶能級的(de)材料，并且理(lǐ)解不了(le)超導電性等諸多(duō)詭異的(de)現象。

但是費米子哈伯德模型擁有巨大(dà)的(de)雜(zá)質問題，它僅僅有不多(duō)的(de)幾個(gè)量子位，但是這(zhè)些量子位卻非常複雜(zá)，這(zhè)導緻哈伯德模型的(de)計算(suàn)難度就迅速上升，而量子計算(suàn)機正好就能解決這(zhè)些千頭萬緒的(de)複雜(zá)問題。

據測算(suàn)，哈伯德模型的(de)雜(zá)質問題本可(kě)以被經典計算(suàn)機算(suàn)出來(lái)，但是需要消耗100兆字節的(de)内存，但是經過量子計算(suàn)機計算(suàn)，隻需要1兆字節内存，這(zhè)樣就導緻量子計算(suàn)速度要快(kuài)100倍。

但是雜(zá)質問題隻是其中一個(gè)問題，實際上，費米子哈伯德模型中的(de)參數還(hái)有很多(duō)種可(kě)能性，通(tōng)常來(lái)說，經典計算(suàn)機并不能算(suàn)出費米子哈伯德模型的(de)參數狀态，因爲它們可(kě)能有著(zhe)非常多(duō)的(de)參數組合，這(zhè)些參數無法通(tōng)過計算(suàn)進行區(qū)分(fēn)，而量子計算(suàn)機可(kě)以将這(zhè)些參數組合進行區(qū)分(fēn)，從而讓費米子哈伯德模型的(de)計算(suàn)變得(de)更加簡單。

但是費米子哈伯德模型的(de)複雜(zá)問題也(yě)讓量子計算(suàn)機很難實現雜(zá)質問題的(de)快(kuài)速解決，但是我國科學家的(de)雜(zá)質問題的(de)突破就讓我們看到了(le)量子計算(suàn)機的(de)一個(gè)希望。

超越經典計算(suàn)機的(de)費米子哈伯德模型。

費米子哈伯德模型是一個(gè)非常關鍵的(de)模型，因爲它可(kě)以用(yòng)于模拟費米子行爲，而費米子行爲又是我們在複雜(zá)電子行爲上的(de)一個(gè)基礎，沒有它，很難理(lǐ)解諸如“電子雲”等現象。

費米子哈伯德模型主要用(yòng)于材料科學，它主要用(yòng)于材料的(de)基本研究問題，比如電子的(de)活動行爲。

費米子哈伯德模型的(de)基本組成就是在一些限定條件下(xià)，對(duì)電子的(de)運動行爲進行模拟研究的(de)理(lǐ)論模型，而它在研究電子的(de)基本活動行爲方面有著(zhe)舉足輕重的(de)意義。

在實際應用(yòng)中，費米子哈伯德模型中要解出的(de)未知量衆多(duō)，而大(dà)部分(fēn)的(de)未知量卻不是指數爆炸的(de)，這(zhè)樣就導緻費米子哈伯德模型實際上是可(kě)以用(yòng)經典計算(suàn)機算(suàn)出來(lái)的(de)。

但是這(zhè)并不意味著(zhe)量子計算(suàn)機就沒有優勢，實際上，無論是解決費米子哈伯德模型的(de)指數增長(cháng)的(de)複雜(zá)問題還(hái)是解決最優化(huà)問題，量子計算(suàn)機都有著(zhe)很大(dà)的(de)優勢。

解決費米子哈伯德模型的(de)超越經典計算(suàn)機，首先要解決的(de)就是指數級增長(cháng)的(de)複雜(zá)問題。

費米子哈伯德模型中常用(yòng)的(de)哈密頓量是一個(gè)大(dà)型的(de)矩陣，這(zhè)個(gè)矩陣的(de)大(dà)小就是費米子哈伯德模型中的(de)未知量，而這(zhè)個(gè)未知量就是指數級增長(cháng)的(de)，解出這(zhè)個(gè)矩陣的(de)本征值就是解出了(le)費米子哈伯德模型中的(de)未知量。

當前，國際上最快(kuài)的(de)經典算(suàn)法複雜(zá)度是O(2^nn^3)，但是量子計算(suàn)機的(de)複雜(zá)度可(kě)以用(yòng)O(2^npoly(n))來(lái)表示，這(zhè)其中的(de)差異就是量子計算(suàn)機有著(zhe)很大(dà)優勢的(de)原因之一。

但是，随著(zhe)量子計算(suàn)機技術逐漸深入，國際上一直在紛紛提出更有效的(de)解決費米子哈伯德模型的(de)經典計算(suàn)機算(suàn)法，這(zhè)也(yě)就促使國内量子計算(suàn)團隊在解決費米子哈伯德模型問題上迫在眉睫了(le)。

在費米子哈伯德模型中存在一個(gè)重要的(de)參數，它就是溫度，溫度對(duì)于費米子哈伯德模型的(de)參數有著(zhe)重要的(de)影(yǐng)響，國際上經典的(de)算(suàn)法常常是著(zhe)重解決溫度爲零時(shí)的(de)參數，而在蓄謀哈伯德模型的(de)研究過程中，國内科學家意識到，量子計算(suàn)機可(kě)以處理(lǐ)溫度不爲零時(shí)的(de)參數，這(zhè)個(gè)溫度不爲零的(de)參數是國内團隊率先處理(lǐ)并取得(de)突破的(de)關鍵。

費米子哈伯德模型的(de)雜(zá)質問題是一個(gè)非常複雜(zá)的(de)問題，一般來(lái)說，都需要進行統計學模拟，但是這(zhè)樣算(suàn)出來(lái)的(de)結果是非常慢(màn)的(de)，因爲統計學模式需要進行大(dà)量的(de)計算(suàn)，因此我國科學家在處理(lǐ)節奏問題的(de)過程中，就是通(tōng)過将統計學模拟進行了(le)量子模拟，從而大(dà)大(dà)的(de)加速了(le)處理(lǐ)的(de)進度。

費米子哈伯德模型是模拟原子之間的(de)相互作用(yòng)的(de)一個(gè)雜(zá)質問題，現如今計算(suàn)原子之間的(de)相互作用(yòng)是一個(gè)非常困難的(de)問題，它主要受限于計算(suàn)機内存的(de)限制，因此，要想計算(suàn)原子之間的(de)相互作用(yòng)，我們就需要有強大(dà)的(de)性能的(de)超算(suàn)。

但是，現在我們可(kě)以用(yòng)量子計算(suàn)來(lái)進行原子相互作用(yòng)的(de)計算(suàn)，這(zhè)樣一來(lái)，我們可(kě)以通(tōng)過量子計算(suàn)機算(suàn)出原子之間的(de)相互作用(yòng)，從而讓費米子哈伯德模型的(de)解出變得(de)更加簡單，并且費米子哈伯德模型的(de)計算(suàn)在材料科學中十分(fēn)重要，因爲費米子哈伯德模型不僅能幫助我們研究材料的(de)基本問題，還(hái)能幫助我們研究材料的(de)特殊性。

量子計算(suàn)機在材料科學中的(de)應用(yòng)。

在材料研究過程中，經常會碰到一些特殊現象，比如超導現象，但是這(zhè)些特殊現象通(tōng)常需要費米子哈伯德模型來(lái)進行解釋，然而，我們要解決這(zhè)些特殊現象，需要進行大(dà)量的(de)計算(suàn)。

量子計算(suàn)機如果能夠實現超越經典計算(suàn)機的(de)突破，那麽在研究材料科學方面，将會發揮重要的(de)作用(yòng)。

實際上，除了(le)在材料科學方面有應用(yòng)之外，費米子哈伯德模型還(hái)有許許多(duō)多(duō)的(de)應用(yòng)，其中一個(gè)就是解決最優化(huà)問題。

在材料科學方面，最有名的(de)最優化(huà)問題就是物(wù)質的(de)優選配方問題，這(zhè)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)常會有很多(duō)材料組分(fēn)，而這(zhè)些材料組分(fēn)的(de)價差非常大(dà)，因此，找到一種更好的(de)優化(huà)配方，材料就可(kě)以更好的(de)進行應用(yòng)。

而找到這(zhè)種更好的(de)優化(huà)配方，就是要找到一種更好的(de)費米子哈伯德模型參數，當然，希望是這(zhè)個(gè)參數的(de)價差更大(dà)，這(zhè)樣在尋優的(de)時(shí)候，可(kě)以更快(kuài)的(de)找到一種更好的(de)優化(huà)配方。

經典計算(suàn)機通(tōng)常是通(tōng)過增加耗費的(de)内存來(lái)解決費米子哈伯德模型中的(de)矩陣大(dà)小，但是這(zhè)種增加的(de)内存是逐漸超過大(dà)部分(fēn)計算(suàn)機内存的(de)，因此很難進行運算(suàn)。

而量子計算(suàn)機通(tōng)常是在不斷保持内存中的(de)情況下(xià)，不斷減小計算(suàn)時(shí)間，這(zhè)樣就能非常方便的(de)解決當前經典計算(suàn)機無法解決的(de)問題，因此，量子計算(suàn)機在日常應用(yòng)中也(yě)有著(zhe)廣泛的(de)應用(yòng)範圍。

結語

我國在量子計算(suàn)方面取得(de)超越突破，這(zhè)是一件值得(de)慶賀的(de)事。

随著(zhe)量子計算(suàn)機技術的(de)不斷突破，相信在不久的(de)将來(lái)量子計算(suàn)機會取代經典計算(suàn)機，成爲我們工作學習(xí)的(de)新工具。