金刚石中硅空位的示意图以及通过偶极-偶极相互作用耦合的SiV的相应自旋阵列。图片来源：Physical Review B （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevB.110.014413

量子计算使用量子力学定律，可以解决从医学到机器学习等广泛领域的紧迫问题，这些问题对于经典计算机来说太复杂了。

量子模拟器是由相互作用的量子单元组成的设备，可以对其进行编程以模拟物理世界的复杂模型。然后，科学家可以通过以受控方式改变相互作用并测量量子模拟器的最终行为来获得有关这些模型的信息，进而获得有关现实世界的信息。

在发表在《物理评论B》上的一篇论文中，加州大学河滨分校领导的研究小组提出了一连串量子磁性物体，称为自旋中心，在存在外部磁场的情况下，可以量子模拟物质的各种磁相以及这些相之间的跃迁。

“我们正在设计容纳自旋中心的新设备，可用于模拟和学习经典计算机无法完全研究的有趣物理现象，”领导研究小组的物理学和天文学教授Shan-温 Tsai说。“固态材料中的自旋中心是局部的量子对象，在设计新的量子模拟器方面具有巨大的未开发潜力。

根据Tsai的研究生和该论文的第一作者Troy Losey的说法，这些设备的进步可以研究更有效的存储和传输信息的方法，同时还可以开发创建室温量子计算机所需的方法。

“与这种最初提出的设备相比，对于如何改进基于自旋中心的量子模拟器，我们有很多想法，”他说。“采用这些新想法并考虑更复杂的自旋中心布置可以帮助创建易于构建和操作的量子模拟器，同时仍然能够模拟新颖而有意义的物理学。

Tsai 和 Losey 回答了有关这项研究的问题：

Tsai：它是一种利用量子力学的不寻常行为来模拟有趣的物理学的设备，这对于普通计算机来说太难计算了。与使用量子比特和通用门操作运行的量子计算机不同，量子模拟器是单独设计的，用于模拟/解决特定问题。

通过权衡量子计算机的通用可编程性，转而利用不同量子相互作用和几何排列的丰富性，量子模拟器可能更容易实现并为量子设备提供新的应用，这是相关的，因为量子计算机尚未普遍使用。

自旋中心是一个大约原子大小的量子磁性物体，可以放置在晶体中。它可以存储量子信息，与其他自旋中心进行通信，并用激光器控制。

Losey：我们可以构建拟议的量子模拟器来模拟物质的奇异磁相以及它们之间的相变。这些相变引起了极大的兴趣，因为在这些相变中，非常不同的系统的行为变得相同，这意味着存在连接这些不同系统的潜在物理现象。

用于构建该设备的技术也可用于基于自旋中心的量子计算机，这是室温量子计算机发展的主要候选者，而大多数量子计算机需要极冷的温度才能运行。

此外，我们的设备假设自旋中心放置在一条直线上，但可以将自旋中心放置在最多 3 维的排列中。这可以允许研究基于自旋的信息设备，这些设备比计算机目前使用的方法更有效。

由于量子模拟器比量子计算机更容易构建和操作，我们目前可以使用量子模拟器来解决常规计算机无法解决的某些问题，同时我们等待量子计算机变得更加精细。

然而，这并不意味着量子模拟器可以在没有挑战的情况下构建，因为我们现在刚刚接近于在操纵自旋中心、生长纯晶体以及在低温下工作以构建我们提出的量子模拟器方面足够好。

更多信息：Troy Losey 等人，使用固态自旋中心的自旋 1/2 XYZ 模型的量子模拟，《物理评论 B》（2024 年）。DOI： 10.1103/PhysRevB.110.014413.在arXiv上： DOI： 10.48550/arxiv.2209.07516

期刊信息： Physical Review B