化学学家早已创造了一种新型的模拟量子计算机，才能解决最强悍的数字超级计算机难以解决的挑战性化学问题。来自德国哈佛学院和英国曼彻斯特学院大学（UCD）的科学家团队在《自然-化学学》杂志上发表的一项突破性研究显示，一种新型的高度专业化的模拟计算机，在其电路中配备了量子组件，才能解决量子化学学中的复杂问题，这种问题曾经是难以解决的。
若果这种设备才能扩大规模，它们有可能为数学学中一些最重要的未解决的问题提供看法。
比如，科学家和工程师常年以来仍然在寻求对超导性的深入理解。目前量子物理如何改变世界，超导材料，如用于核磁共振仪、高速动车和节能长距离电力网路的材料量子物理如何改变世界，只在极低的气温下发挥作用，妨碍了其更广泛的应用。材料科学的最终目标是发觉在温度下表现出超导性的材料，这将彻底改变它们在诸多技术中的应用。
新的量子模拟器的显微合照，其特征是在一个电子电路中嵌入两个耦合的纳米大小的金属半导体器件。
安德鲁-米切尔博士是UCD量子工程、科学和技术中心（C-QuEST）的校长，UCD化学大学的理论化学学家，也是该论文的共同作者。他说。"个别问题实在是太复杂了，虽然是最快的数字精典计算机也未能解决。低温超导体等复杂量子材料的精确模拟就是一个十分重要的事例--这些估算远远超出了目前的能力，由于模拟现实模型的特点须要指数级的估算时间和显存。"
安德鲁-米切尔博士是阿姆斯特丹学院大学的理论化学学家，拥有美国研究委员会的桂冠奖，是UCD量子工程、科学和技术中心（C-QuEST）的校长。资料来源：UCD媒体：文森特-霍本的相片
"但是，推进数字革命的技术和工程进展带来了在纳米尺度上控制物质的前所未有的能力。这使我们就能设计专门的模拟计算机，称为'量子模拟器'，通过借助其纳米级组件的固有量子热学特点来解决量子化学学中的特定模型。其实我们还不能构建一个具有足够功率的多用途可编程量子计算机来解决数学学中的所有开放问题，但我们如今能做的是构建具有量子组件的订制模拟设备，可以解决特定的量子化学问题。"
这种新的量子设备的构架涉及到列入纳米电子电路的混和金属半导体器件，是由哈佛学院、UCD和能源部的SLAC国家加速器实验室（坐落哈佛学院）的研究人员设计的。由David-院长领导的哈佛学院实验纳米科学小组建造并操作了该装置，而理论和建模工作则由UCD的博士完成。
-院长是哈佛材料和能源科学研究所的研究员，他说。"我们总是在做物理模型，希望能抓牢我们感兴趣的现象的本质，但即便我们相信它们是正确的，它们常常也未能在合理的时间内解决。"
有了量子模拟器，"我们有了这种可以转动的旋钮，这在原先是没有的，"戈德哈伯-戈登院长说。
为何是模拟？
-说，这种模拟设备的基本理念是为你想要解决的问题构建一种硬件类比，而不是为一个可编程的数字计算机编撰一些计算机代码。诸如，假定你想预测夜空中行星的运动和日全食的时间。你可以通过建立一个太阳系的机械模型来做到这一点，有人转动曲柄，旋转的联锁蜗杆代表月亮和行星的运动。事实上，这样的机制是在法国一个岛屿海对岸的唐代沉没中发觉的，可以溯源到2000多年前。这个装置可以被看作是特别初期的模拟计算机。
不容忽略的是，模拟机甚至在20世纪末还被拿来进行物理估算，这种估算对于当时最先进的数字计算机来说太难了。
但要解决量子化学问题，设备须要涉及量子组件。新的量子模拟器构架涉及带有纳米级器件的电子电路，这种器件的特点受量子热学定理的掣肘。重要的是，许多这样的组件可以被制造下来，每一个组件的行为都与其他组件基本相同。这对于模拟仿真量子材料至关重要，电路中的每位电子器件都是被模拟的原子的代理，其行为如同一个"人造原子"。正如材料中同一类型的不同原子的行为是相同的一样，模拟计算机的不同电子器件也必须这么。
为此，新的设计提供了一个奇特的途径，可以将该技术从单个单元扩充到就能模拟大量量子物质的小型网路。据悉，研究人员表明，新的微观量子互相作用可以在这些设备中被设计下来。这项工作是朝着开发新一代可扩充的固态模拟量子计算机迈出的一步。
为了证明使用她们新的量子模拟器平台进行模拟量子估算的能力，研究人员首先研究了一个由两个量子器件耦合在一起的简单电路。
该装置模拟了一个由奇异的量子互相作用耦合在一起的两个原子的模型。通过调整电流，研究人员才能形成一种新的物质状态，其中电子虽然只具有其一般电荷的1/3--所谓的"Z3准分子"。那些无法飘忽的状态已被提议作为未来拓扑量子估算的基础，但之前未曾在实验室的电子设备中创造过。
米切尔博士说："通过将量子模拟器从两个组件扩充到许多纳米大小的组件，我们希望我们就能对当前计算机难以处理的更复杂的系统进行建模。这可能是最终解开我们量子宇宙中一些最令人困扰的谜题的第一步。"
