量子世界的規(guī)律與我們習(xí)以為常的經(jīng)典規(guī)律是完全不一樣的。在過(guò)去的一百多年里，隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，這一點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)室中得到反復(fù)驗(yàn)證。由于量子疊加的存在，量子世界顯得比經(jīng)典世界更加豐富且難以刻畫(huà)。美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)曼在三十多年前就指出，用經(jīng)典的計(jì)算機(jī)來(lái)描述刻畫(huà)量子多體系統(tǒng)有著根本性的困難：隨著量子系統(tǒng)中粒子的增加，用來(lái)刻畫(huà)系統(tǒng)的經(jīng)典計(jì)算所需的資源會(huì)呈指數(shù)增長(zhǎng)。費(fèi)曼也富有前瞻性地提出，一種可能的解決方案是利用所謂的量子模擬器。量子模擬器遵循量子力學(xué)規(guī)律，所以它消耗的資源隨系統(tǒng)粒子數(shù)的增加只是多項(xiàng)式型的增長(zhǎng)。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，今天，費(fèi)曼的想法也許即將變成現(xiàn)實(shí)。

一般說(shuō)來(lái)量子模擬器所要解決的問(wèn)題都與描述多體系統(tǒng)的量子態(tài)的時(shí)間演化相關(guān)，比如通過(guò)實(shí)時(shí)演化來(lái)考察體系的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，或者通過(guò)虛時(shí)演化求解物理模型的基態(tài)等等。針對(duì)這些應(yīng)用，量子模擬器大概可以分成兩種：數(shù)字式的和模擬式的。顧名思義，數(shù)字式的模擬把系統(tǒng)的時(shí)間演化過(guò)程離散化成很多很短的時(shí)間段。在每一個(gè)離散的時(shí)段內(nèi)，系統(tǒng)的演化過(guò)程都能用簡(jiǎn)單的模型近似描述。換句話說(shuō)，這相當(dāng)于把系統(tǒng)的時(shí)間演化近似成一系列簡(jiǎn)單的量子門(mén)操作，而不同系統(tǒng)的特性就體現(xiàn)在量子門(mén)操作的選擇上。事實(shí)上，這也正是當(dāng)初費(fèi)曼所構(gòu)想的量子模擬器。而另一種更現(xiàn)實(shí)、要求更低的可能性是所謂的模擬式的量子模擬器。在這樣的量子模擬器中，我們不需要把系統(tǒng)的時(shí)間演化抽象成一系列離散的操作，而只需要在某個(gè)具體的物理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)與所要研究的多體模型對(duì)應(yīng)的物理過(guò)程就可以了?；诋?dāng)前的實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展，這樣的物理系統(tǒng)可以是超冷原子氣體，束縛在勢(shì)場(chǎng)中的離子，超導(dǎo)電路QED等等。顯然，這兩種量子模擬器都還不足以被稱為量子計(jì)算機(jī)，但它們?cè)谔幚砗芏嗵囟ǖ膯?wèn)題時(shí)，應(yīng)該會(huì)比經(jīng)典的計(jì)算機(jī)更有效率。

正如zoller和cirac指出的一樣，一個(gè)合格的量子模擬器應(yīng)該能夠具有如下幾個(gè)要素。首先，模擬器的主體應(yīng)該是一個(gè)遵循量子力學(xué)原理的量子系統(tǒng)。其次，量子模擬器應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)初態(tài)的制備和時(shí)間演化過(guò)程中參數(shù)的自由調(diào)控。同時(shí)，在演化結(jié)束后，我們應(yīng)該能夠通過(guò)對(duì)量子系統(tǒng)末態(tài)性質(zhì)的測(cè)量讀出我們想要的結(jié)果。這幾點(diǎn)是對(duì)實(shí)現(xiàn)量子模擬器的物理系統(tǒng)的約束。最后，我們應(yīng)該有方法對(duì)量子模擬器的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。這幾點(diǎn)里面，也許最后一點(diǎn)是最重要同時(shí)也是最難的。正像我們之前提到的，我們希望量子模擬器能夠提供經(jīng)典計(jì)算機(jī)所不能提供的信息。所以，通過(guò)經(jīng)典計(jì)算來(lái)驗(yàn)證量子模擬器的結(jié)果是不現(xiàn)實(shí)的。但正如科學(xué)自身發(fā)展的規(guī)律一樣，我們?cè)瓌t上不可能證明某個(gè)科學(xué)規(guī)律是百分之百正確的。我們所能做的只是通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)反復(fù)驗(yàn)證它在各種參數(shù)下的適用性。所以，原則上，量子模擬器的結(jié)果可以通過(guò)基于不同量子系統(tǒng)，甚至不同類(lèi)型的模擬器的反復(fù)驗(yàn)證來(lái)加以檢驗(yàn)。

當(dāng)前，量子模擬已經(jīng)成為物理學(xué)中最熱門(mén)的方向之一，各種理論方案和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)層出不窮。在某種程度上，小規(guī)模的量子模擬已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。當(dāng)然，這樣的系統(tǒng)仍然可以通過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)模擬，這些實(shí)驗(yàn)嘗試則可以看成更復(fù)雜的量子模擬器的雛形。也許在不久的將來(lái)，我們就會(huì)見(jiàn)到真正超越了經(jīng)典計(jì)算機(jī)的量子模擬器，這是通往量子計(jì)算機(jī)的更為漫長(zhǎng)的征程上的必經(jīng)之路。