以前需要超级计算机的量子模拟，现在笔记本就能运行

这听起来确实复杂。为理解这些令人费解的量子系统及其无数种构型，物理学家通常会借助强大的超级计算机或人工智能。但要是其中许多问题能用普通笔记本电脑解决呢？科学家们长期以来认为这在理论上可行，然而实际实现却困难得多。美国布法罗大学的研究人员如今迈出了重要一步。他们扩展了一种名为截断维格纳近似（TWA）的经济高效计算技术——这是一种简化量子数学的物理“捷径”，使其能够处理曾被认为需要巨大计算能力的系统。同样重要的是，他们的方法——在2023年9月发表于美国物理学会期刊《PRX Quantum》的一项研究中有所阐述——提供了一个实用且易于使用的TWA框架，研究人员可以输入数据并在几小时内获得有意义的结果。该研究的通讯作者、布法罗大学文理学院物理学助理教授贾米尔·马里诺博士表示：“我们的方法显著降低了计算成本，并且大大简化了动力学方程的表述。我们认为，在不久的将来，这种方法可能会成为在消费级计算机上探索这类量子动力学的主要工具。”马里诺于今年秋季加入布法罗大学，他在德国美因茨约翰内斯·古腾堡大学时就开始了这项工作。他的合著者包括他在那里的两名前学生——侯赛因·侯赛因阿巴迪和奥克萨娜·切尔帕诺娃，后者现在是马里诺在布法罗大学实验室的博士后研究员。这项研究得到了美国国家科学基金会、德国研究基金会和欧盟的支持。采用半经典方法并非所有量子系统都能精确求解。这样做不切实际，因为所需的计算能力会随着系统复杂度的增加呈指数级增长。因此，物理学家常常采用所谓的半经典物理学方法——这是一种中间路线，保留足够的量子行为以保证准确性，同时舍弃对结果影响甚微的细节。TWA就是这样一种可追溯至20世纪70年代的半经典方法，但它仅限于孤立、理想化的量子系统，这类系统中没有能量的增减。因此，马里诺的团队将TWA扩展到了现实世界中更“混乱”的系统，在这些系统中，粒子不断受到外力的推拉，并向周围环境泄漏能量，也就是所谓的耗散自旋动力学。马里诺说：“在我们之前，很多研究小组都尝试过这样做。众所周知，某些复杂的量子系统可以用半经典方法高效求解。然而，真正的挑战在于使其易于获取和操作。”让量子动力学研究变得简单过去，想要使用TWA的研究人员面临着重重复杂性。每次将该方法应用于新的量子问题时，他们都必须从头重新推导数学公式。因此，马里诺的团队将原本数页密集、几乎难以理解的数学运算转化为一个简单明了的转换表，能将量子问题转化为可求解的方程。切尔帕诺娃说：“物理学家基本上一天就能学会这种方法，到第三天左右，他们就能解决我们在研究中提出的一些最复杂的问题了。”为超级计算机节省资源用于更难问题研究人员希望这种新方法能将超级计算集群和人工智能模型节省下来，用于真正复杂的量子系统——那些无法用半经典方法求解的系统，即不仅有万亿种可能状态，甚至状态数比宇宙中的原子数量还多的系统。马里诺说：“很多看似复杂的东西其实并不复杂。物理学家可以将超级计算资源用于需要成熟量子方法的系统，而其余的则可以用我们的方法快速解决。”