想象一下在量子尺度上深入到物質(zhì)中，在這里，微小粒子可以同時以超過萬億種方式相互作用。

如果聽起來很復(fù)雜，那確實如此：物理學(xué)家通常依賴超級計算機，甚至是人工智能，來模擬這些量子系統(tǒng)及其可能的狀態(tài)。

但是，如果這些問題能在普通筆記本電腦上解決呢？

物理學(xué)界多年來就知道這是可能的，但要實現(xiàn)這一點卻更加復(fù)雜。

現(xiàn)在，布法羅大學(xué)的物理學(xué)家們讓我們更接近量子計算的目標。他們擴展了一種計算上更為經(jīng)濟的方法，稱為截斷維格納近似（TWA）——這是一種物理學(xué)的簡化方法，使量子計算變得更容易——應(yīng)用于曾被認為需要大量計算能力的問題。

同樣重要的是，這種方法在一項于九月在PRX Quantum上發(fā)表的研究中進行了描述，它還提供了一個實用的、用戶友好的TWA模板，允許物理學(xué)家將他們的問題輸入并在數(shù)小時內(nèi)獲得可用的結(jié)果。

研究的通訊作者、UB文理學(xué)院物理學(xué)助理教授Jamir Marino博士表示：“我們的方法顯著降低了計算成本，并提供了更簡單的動力學(xué)方程形式。我們認為這種方法在不久的將來可能會成為探索這類量子動力學(xué)的主要工具，適用于普通消費者的計算機?！?/p>

Marino在今年秋季加入UB，他在德國美因茨的約翰內(nèi)斯·古騰堡大學(xué)完成了這項研究。這項研究的合著者中有他的兩位學(xué)生，Hossein Hosseinabadi和Oksana Chelpanova，而后者現(xiàn)在是Marino在UB實驗室的博士后。

采用半經(jīng)典方法

并非每個量子系統(tǒng)都能被精確求解。這樣做是不可行的，因為所需的計算能力隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的增加而呈指數(shù)增長。

因此，物理學(xué)家們常常轉(zhuǎn)向被稱為半經(jīng)典物理的方法——一種中間途徑，保留足夠的量子特性以確保準確性，同時舍棄對結(jié)果影響不大的細節(jié)。

TWA就是這樣一種半經(jīng)典方法，可以追溯到1970年代，但僅限于孤立且理想化的量子系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中沒有能量的獲得或損失。

因此，Marino的團隊將TWA擴展到現(xiàn)實世界中更復(fù)雜的系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中，粒子不斷受到外部力量的影響和作用，并向周圍環(huán)境泄漏能量，這就是所謂的耗散自旋動力學(xué)。

“在我們之前，很多團體嘗試過這樣做。眾所周知，某些復(fù)雜的量子系統(tǒng)可以通過半經(jīng)典方法高效解決，”Marino說?！叭欢?，真正的挑戰(zhàn)在于使其變得易于理解和使用?！?/p>

簡化量子動力學(xué)

過去，尋求使用TWA的研究人員面臨著復(fù)雜的障礙。他們每次都得從頭開始推導(dǎo)數(shù)學(xué)公式。

因此，Marino的團隊將過去幾頁密集、幾乎看不懂的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€簡單的轉(zhuǎn)換表，將量子問題轉(zhuǎn)化為可解的方程式。

“物理學(xué)家可以在一天內(nèi)學(xué)會這種方法，到了第三天，他們就能解決我們研究中展示的一些最復(fù)雜的問題，”Chelpanova說。

希望新方法能夠?qū)⒊売嬎慵汉腿斯ぶ悄苣Ｐ陀糜谡嬲龔?fù)雜的量子系統(tǒng)中。這些系統(tǒng)無法通過半經(jīng)典方法解決。這些系統(tǒng)的可能狀態(tài)不僅有一萬億個，甚至比宇宙中所有的原子還要多。

“很多看起來復(fù)雜的事情其實并不復(fù)雜，”Marino說。“物理學(xué)家可以在需要全面量子方法的系統(tǒng)上使用超級計算資源，而對其余系統(tǒng)則可以快速解決?！?/p>

更多信息： Hossein Hosseinabadi 等, 用戶友好的截斷維格納近似法用于耗散自旋動力學(xué), PRX Quantum (2025). DOI: 10.1103/1wwv-k7hg