Quantum Art 研究展示更高效的波建模量子方案

简讯

• Quantum Art 展示了一项关于量子算法的研究，该算法利用已知的波物理学来简化大规模波模拟，在电信、地震建模和工程领域具有潜在应用。
• 该方法直接构建物理上允许的波状态，旨在避免随着模拟区域扩大而限制现有量子方法的计算开销。
• 该公司估计，一些需要 10¹⁸–10²¹ 个经典网格点的模拟可能潜在地使用约 100 个量子比特，尽管实际实施取决于硬件的进一步进展。

新闻稿 —— Quantum Art，一家基于离子阱量子比特和专有的动态可重构多核架构开发全栈、容错量子计算机的开发商，最近展示了新的研究成果（详见 本论文），解决了长期以来被认为对经典超级计算机而言难以处理的波传播问题 —— 为地震建模、结构工程和材料科学解锁了新的模拟能力。

模拟波（从无线电信号到声音）如何在空间中传播需要巨大的计算能力，并且当建模区域变大而细节水平不能降低时，这种需求会急剧增长。对于依赖精密性的行业来说，这关系重大：电信运营商预测网络覆盖范围，工程师模拟建筑物和材料在压力下的承受情况，地球物理学家追踪地震波如何在地球中移动。该研究解释了公司 此前展示的 5 月份通过与以色列领先的政府研发机构合作项目展示的大规模波模拟结果背后的科学原理。

量子计算机在这方面拥有关键优势：它们可以用相对较少的量子比特来表示极大的问题。然而，大多数现有的量子方法将波问题视为一个巨大的、通用的数学谜题。它们通过暴力破解来解决庞大的方程组，很少考虑方程所描述的内容。波遵循严格的物理规则：给定频率的波在给定介质中以固定速度传播，因此它可能传播的每个方向都可以想象成时钟的指针。因为速度是固定的，所以每根指针的长度都是相同的，因此它们的尖端只能描绘出一个完美的圆。任何不在该圆上的东西在物理上都是不可能的。先前的方法仍然耗费精力在该圆之外进行搜索，检查物理学已经排除的可能性。结果，它们往往会显著减速或失去量子优势，特别是在大规模问题上。

Quantum Art 的新方法将已知的波物理学转化为捷径。它不是要求量子计算机解决完整的数学谜题，而是直接构建那个物理上允许的波方向圆，并在其上标记每个波源的位置。答案是根据已知的波物理形状构建的，而不是从头计算的。这就像在搜索整个图书馆的每一页和直接走向已知存放书籍的那个书架之间的区别。

这种方法反映了贯穿 Quantum Art 更广泛工作的一种模式：该公司再次利用物理学本身来缩短通往实用量子计算的路径。同样的理念也塑造了其硬件，其中离子阱量子比特、多量子比特门和动态可重构多核架构是围绕系统的物理行为构建的，而不是绕过它进行工程设计。

Quantum Art 首席技术官 Amit Ben Kish 表示：“这篇论文解释了我们方法背后的基础科学，并表明它不仅限于无线电和电磁信号。同样的原理适用于由频率和速度之间固定关系支配的任何波，这为模拟声音、雷达和地震波传播中的问题打开了大门。”

直到现在，解决这些问题的量子方法都碰到了瓶颈。一些方法需要随着模拟区域的扩大而延长量子计算机的运行时间。其他搜索完整数学空间并仅保留有用部分的方法，在大规模问题上成功的几率极低，以至于需要重复极多次。无论哪种方式，随着建模区域变大，量子优势都会被削弱。

Quantum Art 的新方法移除了那个瓶颈。因为它只构建答案中重要的部分，所以无论模拟区域是房间大小还是山脉大小，所需的尝试次数都大致相同，并且计算量随着模拟变得更加详细而缓慢增长。随着涉及的波源增多，其成功几率甚至会提高。跨越数十公里、精确到厘米的无线电波详细三维模拟可能需要 10¹⁸-10²¹ 个经典网格点 —— 这一规模远超当今最大的超级计算机实际处理能力，但对于拥有 100 个左右量子比特的量子计算机来说，这在潜在可及范围内。在实践中达到这一规模还将建立在持续的硬件进步基础之上，包括 Quantum Art 的多量子比特门，它可以压缩电路深度并减少系统规模扩大时引入的误差。

这首次使得量子计算机能够有效地模拟远超任何经典计算机处理能力的广大区域内的稳定波型（即固定频率下的声音、雷达或地震波）。