沸騰的水汽化為水蒸氣，冰塊在玻璃杯中融化，這些常見的現(xiàn)象就是所謂的相變。然而，另一種類型的相變很難觀測到，它在微觀層面非常明顯：量子相變。

　　圖1 兩個量子相變的“映射”圖。不同顏色代表不同相以及不同相之間的過渡

　　當(dāng)環(huán)境溫度冷卻至接近絕對零度時，某些材料內(nèi)部會發(fā)生奇妙的量子相變，這種材料從磁性轉(zhuǎn)變?yōu)榉谴判?，也可以突然獲得超導(dǎo)性，以零損耗能傳導(dǎo)電子。

　　然而，即使對于超級計算機，這些轉(zhuǎn)變背后的理論計算也是一個大難題。近日，芝加哥大學(xué)團隊提出了一種處理這種復(fù)雜計算的新方法，該方法可能突破現(xiàn)有的量子技術(shù)。它的快捷性在于僅僅將最重要的信息作為方程的未知數(shù)，并創(chuàng)建模擬系統(tǒng)中所有可能相變的“映射”。以上研究成果已發(fā)表在期刊《Physical Review A》。

　　該論文通訊作者，芝加哥大學(xué)化學(xué)系、詹姆斯·弗蘭克研究所的理論化學(xué)學(xué)家David Mazziotti說：“這是一種研究量子相變的有前景的方法，既可用于傳統(tǒng)計算機，也可用于量子計算機?！?/p>

　　此外，該團隊認(rèn)為，如果科學(xué)家能夠完全理解量子相變背后的復(fù)雜物理學(xué)，我們就可以打開新技術(shù)的大門。例如，過去的類似發(fā)現(xiàn)為核磁共振成像儀和晶體管打下理論基礎(chǔ)，促進了現(xiàn)代計算機和手機的發(fā)展和普及。

　　流線型方法

　　日常生活的相變，如蒸發(fā)和冷凝，是由溫度場的變化激發(fā)的，但是量子相變是由環(huán)境中的某些干擾激發(fā)的，比如磁場。

　　這種現(xiàn)象是許多電子相互作用的結(jié)果——電子間相互作用是強關(guān)聯(lián)物理學(xué)的一個復(fù)雜子領(lǐng)域。傳統(tǒng)方法模擬量子相變必須創(chuàng)建一個包含每個電子運動可能性的模型，但運行這些模擬很容易使計算機崩潰。

　　因此，量子計算機被認(rèn)為比傳統(tǒng)計算機更適合解決這類問題，那么隨之而來的問題是：這些方程產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，然后需要被翻譯回“普通”計算機的識別語言，以便科學(xué)家使用它們分析。

　　基于此，該團隊預(yù)計在不算是準(zhǔn)確性的同時，簡化計算過程。

　　他們沒有創(chuàng)建一個模擬程序來計算特定子系統(tǒng)中的每一個變量，而是找到另一種方法：用一組數(shù)據(jù)描述每一對電子之間可能的相互作用，即“雙電子還原密度矩陣”。

　　該論文第一作者、在讀研究生Sam Warren解釋說：“通過測量描述雙電子還原密度矩陣的集合，我們最終創(chuàng)建了量子系統(tǒng)可能經(jīng)歷的所有不同階段的映射。”（如圖1）

　　這個映射本身還有其他優(yōu)勢，Sam Warren說：“它讓你看到平時可能會錯過的過渡態(tài)，它創(chuàng)建了一個強大的可視化平臺，輕松快速地掌握高階全空間視圖?！?/p>

　　該論文第二作者，在讀研究生LeeAnn Sager-Smith說：“它給了我們這個系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)物理知識，同時最大限度地減少了計算需求?！?/p>

　　Mazziotti希望這種方法不僅能夠在量子計算機上運行模擬，而且能夠幫助我們?nèi)胬斫饬孔酉嘧?。他表示：“由于有些區(qū)域很難建立模型，材料中的這些區(qū)域沒有充分計算。我們期望這種方法能夠打開一些新大門?！?/p>

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