谷歌的量子人工智能挑战了长期存在的物理理论

　　量子模拟器现在正在解决复杂的物理问题，例如一维量子磁体的动力学及其与雪堆积等经典现象的潜在相似性。最近的研究证实了这一理论的某些方面，但也强调了在量子系统中充分验证KPZ普适性类的挑战。来源:Google LLC

　　量子模拟器正在迅速发展，现在可以解决以前局限于理论物理和数值模拟的问题。谷歌量子人工智能的研究人员及其合作者通过探索一维量子磁体的动力学，特别关注自旋为1/2的粒子链，展示了这种新的潜力。

　　他们研究了一个近年来备受关注的统计力学问题:这样一个一维量子磁体是否可以用下雪和聚集在一起的相同方程来描述?这两个系统会连接起来似乎很奇怪，但在2019年，卢布尔雅那大学的研究人员发现了惊人的数值证据，使他们推测自旋-1 / 2海森堡模型中的自旋动力学属于卡尔达-帕里西-张(KPZ)普切类，基于无限温度自旋-自旋相关函数的缩放。

　　模拟海森堡量子自旋链中的磁化。来源:Google LLC

　　KPZ方程最初用于描述驱动界面的随机非线性动力学，并已被证明适用于广泛的经典系统，例如属于KPZ通用性类的森林火灾生长前沿。如果自旋为1 / 2的海森堡模型像卢布尔雅那的研究人员推测的那样，属于普适类，那将是令人惊讶的，因为它是线性的，非随机的，不像这类中的其他系统。

　　量子模拟的实验见解

　　2022年，马克斯-普朗克研究所(max - planck - institute fr Quantenoptik)的研究人员进行了冷原子实验，量子模拟开始揭示这个问题。通过研究磁自旋初始不平衡的弛豫，他们发现了支持这一猜想的实验证据，该猜想于2022年发表在《科学》杂志上。

　　为了进一步探索该模型中的自旋动力学，谷歌合作利用其超导量子处理器的能力快速获取大量实验数据，允许对基础统计数据进行详细研究。具体来说，他们使用46个超导量子比特的链，测量了有多少个自旋穿过链中心的概率分布，这个量被称为转移磁化。

　　该分布的均值和方差表现出与KPZ普适性类一致的行为，与Max-Planck-Institut小组的发现完全一致。只有当他们仔细检查了转移磁化的第三(偏度)和第四(峰度)矩时，他们才发现与KPZ普适性类的预测有明显的偏差，这表明该猜想在实验中探测的时间尺度上并不成立。

　　一般来说，以足够的精度测量随机变量的分布，使较高的矩可以用足够的信噪比来解决是极具挑战性的;它需要快速采样，高水平的控制，以及量子处理器的量子相干性。这项发表在《科学》杂志上的研究很好地代表了当前令人兴奋的量子模拟时代，在这个时代，量子处理器可以加深我们对新物理现象的理解。

　　参考:“磁化动力学在无限的温度在海森堡自旋链”的e·罗森博格,t·安德森,r . Samajdar a . Petukhov j . c .废话,d . Abanin a, i . k . Drozdov c·埃里克森p v .克里莫夫,x, a . Morvan m . Neeley c·尼尔r . Acharya r·艾伦·k·安德森,m . Ansmann f . Arute k . Arya a·哈恩·阿斯范j . Atalaya j . c . Bardin a . Bilmes g . Bortoli a·布拉沙j . Bovaird l·布里尔·m·布劳顿比比巴克利,d . a .过活,t .汉堡,事实,n .布什内尔J.坎佩罗，h - s。Chang, Z. Chen, B. Chiaro, D. Chik, J. Cogan, R. Collins, P. Conner, W. Courtney, A. L. Crook, B. Curtin, D. M. Debroy, A. Del Toro Barba, S. Demura, A. Di Paolo, A. Dunsworth, C. Earle, L. Faoro, E. Farhi, R. Fatemi, V. S. Ferreira, L. Flores Burgos, E. Forati, A. G. Fowler, B. Foxen, G. Garcia， é。Genois, w .江,c . Gidney d吉尔波m . Giustina r . Gosula a Grajales道,j . a .总值s Habegger m·c·汉密尔顿·m·汉森·m·p·Harrigan s·d·哈林顿,p .高浓缩铀,g .希尔·m·r·霍夫曼在香港,t·黄发怒,w·j·哈金斯,l . b .约飞美国诉Isakov j . Iveland e·杰弗里江z, c·琼斯,p . juha d . Kafri t . Khattar m . Khezri m . Kieferova金,a . Kitaev a . r . Klots a . n . Korotkov f . Kostritsa j . m . Kreikebaum d . Landhuis·拉普帖夫海K.-M。刘,l .法律,j·李,k·w·李,y . d . Lensky b·j·莱斯特a·t·莉儿w·刘,a . Locharla s Mandra O·马丁,马丁,j . r . McClean m . McEwen米克斯,k.c.苗,a . Mieszala蒙塔泽里,r . Movassagh w . Mruczkiewicz a . Nersisyan m·纽曼,j·h·Ng,阮,m .阮m . y .妞妞,t·e·O ' brien s Omonije a . Opremcak r·波特l . p . Pryadko c . Quintana d·m·罗兹c . Rocque n·c·鲁宾,n . Saei d .沉没,k . Sankaragomathi k . j . Satzinger h . f . Schurkusc·舒斯特尔m . j . Shearn a短,n . Shutty诉Shvarts,西瓦克诉,j . Skruzny w·克拉克史密斯,r . d .外轮山g .英镑d .应变m . Szalay d·托尔答:托雷斯,维达尔g . b . Villalonga c Vollgraff Heidweiller, t .白色,b . w . k .哇,c .兴z杰米姚明,p .叶j . Yoo g .年轻,a . Zalcman y张朱n, n . Zobrist h .乃文r . Babbush d .培根,s . Boixo j .希尔顿产品,所的的大肠Lucero a . Megrant j·凯利,y,诉Smelyanskiy诉Khemani, s . Gopalakrishnan)T. Prosen和P. Roushan, 2024年4月4日，Science。DOI: 10.1126 / science.adi7877