在单个原子的尺度上，物理学变得很奇怪。研究人员正在努力揭示、利用和控制这些奇怪的量子效应，使用量子模拟模拟器——实验室实验，包括过冷数十到数百个原子，并用微调激光器和磁铁探测它们。

科学家们希望，从量子模拟器中获得的任何新认识，都将为设计新的奇异材料、更智能、更高效的电子产品以及实用的量子计算机提供蓝图。但为了从量子模拟器中获得真知灼见，科学家们首先必须信任它们。

也就是说，他们必须确保他们的量子设备具有“高保真度”，并准确地反映量子行为。例如，如果一个原子系统很容易受到外部噪声的影响，研究人员可以假设存在不存在的量子效应。但直到现在，还没有可靠的方法来表征量子模拟模拟器的保真度。

在今天发表在《自然》杂志上的一项研究中，麻省理工学院和加州理工学院的物理学家报告了一种新的量子现象:他们发现原子的量子涨落存在一定的随机性，这种随机行为表现出一种普遍的、可预测的模式。既随机又可预测的行为听起来可能有点矛盾。但该团队证实，某些随机波动确实可以遵循可预测的统计模式。

更重要的是，研究人员已经使用这种量子随机性作为工具来表征量子模拟模拟器的保真度。他们通过理论和实验证明，他们可以通过分析量子模拟器的随机波动来确定其精度。

该团队开发了一种新的基准测试协议，可以应用于现有的量子模拟模拟器，根据它们的量子波动模式来衡量它们的保真度。该协议可以帮助加速新型奇异材料和量子计算系统的开发。

“这项工作将允许以非常高的精度描述许多现有的量子设备，”该研究的合著者、麻省理工学院物理学助理教授Soonwon Choi说。“这也表明，在混沌量子系统的随机性背后，存在着比我们之前所认为的更深层次的理论结构。”

这项研究的作者包括麻省理工学院的研究生丹尼尔·马克，以及加州理工学院、伊利诺伊大学香槟分校、哈佛大学和加州大学伯克利分校的合作者。

随机进化

这项新研究的动力来自于谷歌在2019年的一项进展，该公司的研究人员建造了一台被称为“梧桐”的数字量子计算机，它可以比传统计算机更快地进行特定计算。

经典计算机中的计算单元是以0或1的形式存在的“位”，而量子计算机中的单位，被称为“量子位”，可以以多种状态的叠加形式存在。当多个量子比特相互作用时，理论上它们可以运行特殊的算法，在比任何经典计算机都短得多的时间内解决难题。

谷歌的研究人员设计了一个超导回路系统，使其表现为53个量子比特，并表明“计算机”可以执行特定的计算，通常情况下，即使是世界上最快的超级计算机也难以解决这个问题。

谷歌也恰好表明它可以量化系统的保真度。通过随机改变单个量子比特的状态，并将所有53个量子比特的结果状态与量子力学原理的预测进行比较，他们能够测量系统的准确性。

Choi和他的同事想知道他们是否可以使用类似的随机方法来衡量量子模拟模拟器的保真度。但他们必须克服一个障碍:与谷歌的数字量子系统不同，模拟模拟器中的单个原子和其他量子比特难以操纵，因此难以随机控制。

但通过一些理论建模，Choi意识到，在谷歌的系统中单独操纵量子位的集体效应可以在模拟量子模拟器中再现，只需让量子位自然进化。

“我们发现，我们不需要设计这种随机行为，”崔说。“在没有微调的情况下，我们可以让量子模拟器的自然动力学进化，结果将导致由于混沌而产生类似的随机模式。”

建立信任

作为一个极其简单的例子，想象一个由五个量子比特组成的系统。每个量子位可以同时以0或1的形式存在，直到进行测量，然后量子位就会进入一种或另一种状态。对于任何一次测量，量子位都可以采用32种不同的组合之一:0-0-0-0-0,0-0-0-1，等等。

Choi解释说:“这32种构型将以一定的概率分布出现，人们认为这应该与统计物理学的预测相似。”“我们发现它们平均上是一致的，但有些偏差和波动表现出一种我们不知道的普遍随机性。这种随机性看起来就像你运行谷歌所做的那些随机操作一样。”

研究人员假设，如果他们能够开发一种数值模拟，精确地代表量子模拟器的动力学和普遍随机波动，他们就可以将预测结果与模拟器的实际结果进行比较。两者越接近，量子模拟器就必须越精确。

为了验证这一想法，Choi与加州理工学院的实验人员合作，设计了一个包含25个原子的量子模拟模拟器。物理学家在实验中使用激光来集体激发原子，然后让量子比特自然地相互作用并随着时间的推移而进化。他们在多次运行中测量了每个量子比特的状态，总共收集了10,000个测量值。

Choi和他的同事们还开发了一个数值模型来代表实验的量子动力学，并结合了一个他们推导出来的方程来预测应该出现的普遍的随机波动。然后，研究人员将他们的实验测量结果与模型的预测结果进行了比较，并观察到非常接近的匹配——强有力的证据表明，这个特定的模拟器可以被信任，反映了纯粹的量子力学行为。

更广泛地说，结果证明了一种新的方法来描述几乎任何现有的量子模拟模拟器。

Choi说:“表征量子设备的能力形成了一个非常基本的技术工具，可以构建越来越大、更精确和复杂的量子系统。”“通过我们的工具，人们可以知道他们使用的系统是否值得信赖。”

这项研究得到了美国国家科学基金会、国防高级研究计划局、陆军研究办公室和能源部的部分资助。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。