作家劉慈欣在小說《鏡子》中，提到一種無限運(yùn)算的計(jì)算機(jī)：只要給定每個(gè)粒子初始條件，它可模擬各種演化過程，整個(gè)宇宙會(huì)像從鏡子中看到的一樣被復(fù)制。比如建一個(gè)雞蛋模型，就能孵化出跟現(xiàn)實(shí)小雞一根毛都不差的虛擬小雞。這個(gè)計(jì)算過程，就可近似看作量子模擬。

這里所說的模擬，是構(gòu)建一個(gè)與原問題本質(zhì)相似又更容易研究的模型系統(tǒng)，可按相同規(guī)律加以演化。有一個(gè)能直觀說明“模擬”的例子，就是風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)——通過控制氣流以模擬自然環(huán)境中真實(shí)的氣流運(yùn)動(dòng)狀況，在設(shè)計(jì)飛機(jī)時(shí)將飛機(jī)模型固定在風(fēng)洞中反復(fù)吹風(fēng)，觀察、測量氣流對其的作用，從而不用讓飛機(jī)飛到天上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，就能得到相關(guān)的飛行數(shù)據(jù)。

量子模擬，顧名思義就是運(yùn)用量子力學(xué)的基本規(guī)律來構(gòu)建模擬系統(tǒng)。有人可能會(huì)問，既然制造飛機(jī)、汽車，包括進(jìn)行核試驗(yàn)等，都已能在超強(qiáng)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)上模擬，為何還要再去研究量子模擬呢？原因就在于，與宏觀世界不同，組成量子系統(tǒng)的都是微觀粒子，它們遵守的是描述微觀世界物理規(guī)律的量子力學(xué)。大量這樣的微觀系統(tǒng)組成了量子多體系統(tǒng)，其性質(zhì)和行為就是量子多體問題。比如高溫超導(dǎo)的機(jī)制、宇宙在誕生初期的演化等。

在量子多體問題中，隨著粒子數(shù)增加，計(jì)算所需資源將呈指數(shù)式增長，并伴隨開放性系統(tǒng)的求解難度等，遵循宏觀世界原理的經(jīng)典計(jì)算機(jī)基于數(shù)值模擬的方法，遇到這類問題就會(huì)變得“無所適從”，對于大系統(tǒng)的演化無法精確求解。而且，現(xiàn)實(shí)世界的物理系統(tǒng)太過復(fù)雜，很多問題因?yàn)橛?jì)算耗時(shí)太久，最終也會(huì)表現(xiàn)為無解。

一種重要手段

美國物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼最早意識到了這方面的問題：既然量子力學(xué)是支配世界的底層物理規(guī)律之一，那么就需要人造一個(gè)符合量子規(guī)律的系統(tǒng)，通過精確控制這個(gè)人工系統(tǒng)，去模擬一些在現(xiàn)實(shí)條件下難以操控的宇宙和自然界的復(fù)雜量子系統(tǒng)及經(jīng)典現(xiàn)象，從而為發(fā)現(xiàn)普適的物理規(guī)律提供思路和驗(yàn)證。這就是量子計(jì)算機(jī)誕生的初衷和目標(biāo)，在原理上賦予了模擬方法以得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。

在自然界中，量子系統(tǒng)就像一個(gè)有無數(shù)岔路口的巨大迷宮，或者像一個(gè)巨型黑箱，物質(zhì)a和物質(zhì)b進(jìn)去之后就出來物質(zhì)c，而迷宮或者黑箱里到底發(fā)生了什么？每個(gè)原子、分子到底經(jīng)歷了什么？這是一團(tuán)難解的科學(xué)之謎。量子系統(tǒng)的演化很難被人為控制和改變，所以人們長期以來都不能系統(tǒng)地探知不同參數(shù)下的量子動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。

量子計(jì)算機(jī)的量子模擬，是研究量子動(dòng)力學(xué)行為的理想方法。特別是利用量子計(jì)算機(jī)，不同的量子動(dòng)力學(xué)行為能通過調(diào)節(jié)參數(shù)實(shí)現(xiàn)，并可多次重復(fù)，從而從多個(gè)角度來探索其性質(zhì)。

在量子力學(xué)中，有一個(gè)主導(dǎo)量子系統(tǒng)性質(zhì)和演化的重要物理量，叫作“哈密頓量”。如果兩個(gè)量子多體系統(tǒng)的“哈密頓量”別無二致，一旦摸清其中一個(gè)，就可像照鏡子一樣知曉另一個(gè)。

以藥物研發(fā)為例。目前，認(rèn)為阿爾茲海默癥的元兇是大腦中錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)，要想找到合適的藥物，就得模擬不同藥物對不同蛋白質(zhì)所起的作用。量子模擬就可幫助科學(xué)家計(jì)算大量潛在的蛋白質(zhì)折疊序列，迅速找到有用的藥物。

再比如，想要研究固體材料中高溫超導(dǎo)的機(jī)制，為什么不能直接去測高溫超導(dǎo)材料呢？因?yàn)殡娮?ldquo;看不見”：首先在空間上，固體晶格尺度是納米，而光的波長是百納米，固體材料里發(fā)生的事情我們難以知曉；其次在時(shí)間上，電子的動(dòng)力學(xué)時(shí)間尺度非常小，電子學(xué)器件的響應(yīng)“跟不上”。所以人們猜測，“電子相互作用”在高溫超導(dǎo)中扮演了重要角色。但現(xiàn)有的凝聚態(tài)實(shí)驗(yàn)手段，主要是測量宏觀數(shù)量電子的集體輸運(yùn)行為，量子相干性、量子動(dòng)力學(xué)過程都很難測到。對此，量子模擬就提供了一種重要手段：用光晶格中的冷原子，模擬固體晶格中的電子。這對于理解高溫超導(dǎo)的物理原理、設(shè)計(jì)超導(dǎo)材料，提供了巨大幫助。

神秘的“第二聲”

在自然界中，微觀粒子可分為費(fèi)米子、玻色子兩類。質(zhì)子、電子都屬于費(fèi)米子，氦-4、鈉原子都屬于玻色子。兩種不完全相同的費(fèi)米子，組成的多體系統(tǒng)有著豐富多彩的物理現(xiàn)象，其中就包括此次潘建偉院士團(tuán)隊(duì)采用量子模擬手段研究的對象——強(qiáng)相互作用費(fèi)米超流。

擴(kuò)散和波動(dòng)是自然界隨處可見的現(xiàn)象。比如，向一杯清水中滴一滴墨水，就會(huì)發(fā)生擴(kuò)散；滔天海浪、車水馬龍的噪聲等，這些都是波動(dòng)。而對于熱量，通常情況下，是從近到遠(yuǎn)逐漸擴(kuò)散傳播的。在某些情況下，熱量還可像聲音一樣以波的形式傳播。這一現(xiàn)象，被稱為“第二聲”。

神秘的“第二聲”只會(huì)出現(xiàn)在某些特殊物質(zhì)中，例如液氦超流。什么是超流？超流就是黏滯性變?yōu)?的流體。比如我們攪動(dòng)一杯水時(shí)，漩渦會(huì)因?yàn)轲詽u漸恢復(fù)平靜，超流中的漩渦卻不會(huì)停止，反而會(huì)自個(gè)“爬”到杯子外去。此外，超流還有很多神奇特性，比如擁有極高的熱導(dǎo)率、能產(chǎn)生量子化的渦旋晶格等。它與超導(dǎo)都是如今物理學(xué)研究的前沿。

上世紀(jì)40年代，蘇聯(lián)著名物理學(xué)家朗道通過兩流體模型，從宏觀上解釋了液氦-4的超流現(xiàn)象，并預(yù)言了“溫度將以波的形式在超流中傳播”，同時(shí)將其命名為“第二聲”。然而，80多年過去了，科學(xué)家們雖前赴后繼，仍難以在液氦體系中探測到動(dòng)力學(xué)標(biāo)度理論的關(guān)鍵參數(shù)。所以，“第二聲”現(xiàn)象的研究并未得到實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

超冷原子的出現(xiàn)，為研究“第二聲”的衰減帶來了新機(jī)遇。2005年，科學(xué)家終于確認(rèn)了超冷強(qiáng)相互作用費(fèi)米氣體的確存在超流現(xiàn)象。直到2013年，科學(xué)家才首次在該體系觀測到了“第二聲”的存在。

“第二聲”實(shí)在太微弱了。對“第二聲”衰減的觀測，長期受到兩個(gè)瓶頸問題制約：一是要有高品質(zhì)的費(fèi)米超流，近5年來，密度均勻的強(qiáng)相互作用費(fèi)米超流才被制備出來；二是“第二聲”對實(shí)驗(yàn)裝置的要求極為苛刻，超冷原子的溫度本身已接近絕對零度，只比絕對零度高千萬分之一攝氏度，測溫非常困難。而觀測“第二聲”則要探測溫度波動(dòng)所伴隨的微小物質(zhì)密度波動(dòng)，在毫厘之間尋找細(xì)微變化，更是難上加難。

借助量子模擬，對“第二聲”的研究終于取得了突破性進(jìn)展。

奏響上升旋律

近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)與澳大利亞科學(xué)家合作，首次在處于強(qiáng)相互作用極限下的費(fèi)米超流體中測得“第二聲”的衰減率，該成果在2月4日國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表。2月10日《自然》雜志又在線發(fā)表潘建偉院士團(tuán)隊(duì)與國內(nèi)相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)合作，在基于超冷原子分子的量子模擬方面取得的重要進(jìn)展。

對費(fèi)米超流的破譯，像破譯了一個(gè)物理參數(shù)密碼本一樣，使我們有望揭開浩渺宇宙中無法觸及的謎團(tuán)。比如密度僅次于黑洞的中子星，其地殼就是一個(gè)強(qiáng)相互作用的費(fèi)米系統(tǒng)。此外，宇宙大爆炸后的數(shù)微秒內(nèi)，宇宙中充斥的極高溫度夸克-膠子等離子體，也可視為強(qiáng)相互作用費(fèi)米系統(tǒng)。

我們一旦洞悉了費(fèi)米氣體超流的性質(zhì)，就能對另外兩個(gè)系統(tǒng)也有深入了解。中子星可望而不可即，夸克-膠子等離子體的制備又異常困難昂貴，超冷強(qiáng)相互作用費(fèi)米氣體則成為我們解開未解難題的一把“鑰匙”。

通過量子模擬，科學(xué)家們可在化學(xué)、生物、信息等多個(gè)領(lǐng)域創(chuàng)造全新契機(jī)。比如研發(fā)新型電池、制備多樣的催化劑、探究新制藥、開發(fā)新材料、探索化學(xué)分子結(jié)構(gòu)及量子精密測量等。

正如晶體管是計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)，激光技術(shù)支撐了現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)，導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展離不開原子鐘等精密測量技術(shù)的支撐……量子力學(xué)的建立也在推動(dòng)著現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展。

幾十年間，從對量子規(guī)律的被動(dòng)觀測，到對量子規(guī)律的宏觀體現(xiàn)和應(yīng)用，再到對單個(gè)粒子主動(dòng)制備、精確測量及主動(dòng)調(diào)控操縱，進(jìn)而利用量子規(guī)律認(rèn)識和改造世界，量子科技領(lǐng)域正奏響一段段不斷上升的旋律。