Google最新量子材料模擬研究，推進通用量子運算的發展

Google揭露了他們在模擬量子材料任務中的兩大進展，第一是他們在一維系統中，精確地計算電子特性，像是電流或是電導，而第二項進展則是將描述電子交互作用的Fermi-Hubbard模型，映射到量子處理器中。這兩個研究代表了量子系統，已經具備能夠模擬實際應用複雜系統的能力。

第一項進展的工作重點，在於模擬像是細導線這樣一維導體上的電子特性，研究人員透過在Sycamore處理器上建構出18量子位元的迴圈，來模擬非常細的導線。研究人員計算出導線的電子能帶結構（Band Structure），而該結構描述了金屬中電子的能量和動量，Google提到，儘管這18量子位元的演算法，由1,400個邏輯運算組成，但是在當前的裝置上，已經能實現低於1％的總誤差。

在第二項進展，研究的焦點在於電子的交互作用。粒子間的交互作用會產生新的現象，像是高溫超導體或是自旋電荷分離（Spin–Charge Separation），而要捕捉這類型的行為，最簡單的模型被稱為Fermi-Hubbard模型，在金屬等材料中，原子核會形成晶格，電子在晶格間跳躍產生電流，而為了精確模擬這些系統，還必須要考慮電子彼此靠近時的排斥力。

Fermi-Hubbard模型中透過電子的跳躍率和排斥強度兩個參數，來計算此物理現象，而研究人員將這兩個參數，映射到處理器量子位元上的邏輯運算，利用這些運算來模擬電子電荷和自旋密度。研究人員提到，他們所計算出來的結果，可以作為超導體量子位元模擬量子材料的基準。

雖然量子處理器的運算與解決問題的能力，無庸置疑一定是高於古典方法，但是這些工程平臺要被能夠實際使用，必須要提供超過當前古典方法的運算準確性，在Google的第一項實驗中，量子處理器展現了極高的精確性，而在第二項研究中，研究人員展示將實際電子互動模型嵌入量子處理器中。這兩個實驗結果有助於量子處理器，達成超越古典運算水準的目標。