最近發表的新理論突破解決了關於在未來量子計算機上模擬量子系統的可行性的兩個長期存在的問題，它克服了複雜性分析的挑戰，使更先進的算法成為可能。洛斯阿拉莫斯國家實驗室的一個量子團隊的工作在兩本出版物中作了介紹，表明量子系統的物理特性允許更快的模擬技術。
洛斯阿拉莫斯的量子理論家、這兩篇論文的共同作者羅蘭多·索瑪說：”基於這項工作的算法將需要在量子計算機上首次全面展示量子模擬，”。
論文”低能量子空間中的哈密爾頓模擬”表明，量子模擬算法的複雜性取決於相關的能量尺度，而不是像以前認為的那樣取決於系統的全部能量範圍。事實上，一些量子系統可以有無界能量的狀態，因此，即使在大型量子計算機上，模擬也會被證明是難以解決的。
這項新的研究發現，如果一個量子系統只探索低能量狀態，它可以在量子計算機上以低複雜度進行模擬，而不會出現模擬崩潰的錯誤。
洛斯阿拉莫斯的理論物理學家、該論文的第一作者Burak Sahinoglu說：”我們的工作提供了一條在低能量下系統研究量子模擬的路徑，這將是推動量子模擬接近現實的需要。”該論文發表在《自然》雜誌的合作夥伴《量子信息》雜誌上。
“在算法的每一步，你永遠不會逃到非常大的能量上去，”索瑪說。”有一種方法可以編寫你的量子算法，以便在每一步昨晚之後仍然留在低能量子空間內。”
作者說，他們的研究適用於一大類量子系統，並將有助於模擬量子場理論，這些理論在其低能量狀態下描述物理現象。
量子系統的快速前進繞過了時間-能量不確定性原理
另一篇論文，”快進量子演化”，是索瑪與加州理工學院的顧守珍，也是前洛斯阿拉莫斯量子計算暑期學校的學生合作發表在《量子》上。它展示了三個量子系統，其中量子模擬算法的運行速度–在某些情況下是指數級的，這超過了時間-能量不確定性原理所建議的極限。
索瑪說：”在量子力學中，在測量一個系統的能量時可以達到的最佳精度，一般來說，與測量的持續時間成反比。然而，這一原則並不適用於所有的量子系統，特別是那些具有某些物理特徵的系統。”
作者表明，當這一原則被繞過時，這樣的量子系統也可以在量子計算機上被非常有效地模擬，或者說是快進。
了解更多：
Burak Sahinoglu和Rolando D. Somma的”低能量子空間中的哈密爾頓模擬”，2021年7月27日，npj量子信息。
DOI: 10.1038/s41534-021-00451-w
“快速前進的量子演化”，作者：顧守珍、Rolando D. Somma和Burak Sahinoglu，2021年11月15日，Quantum。
DOI: 10.22331/q-2021-11-15-577