2026年2月18日——量子计算机研究正在快速发展。然而，现有设备仍存在显著局限：例如，量子计算的时长受到严格限制——即在高度敏感的系统中，量子比特之间发生严重错误前可实现的交互次数极为有限。因此，尽可能保持计算操作的高效与精简至关重要。康斯坦茨大学的物理学家吉多·伯卡德和约里斯·卡特莫勒以量子模拟为例，展示了如何利用对称性将所需计算量级显著降低：他们通过量子系统中的重复模式，将计算需求减少至千分之一甚至更低。该方法现已发表于《物理评论快报》。

加速量子模拟

量子计算机最重要的应用之一是量子模拟。该过程利用量子计算机模拟其他复杂量子系统——例如在材料研究中计算新材料的特性，或在制药领域预测新药的相互作用。

但存在一个关键问题：在量子计算机开始实际运算前，需要进行一种预备计算。第一步需将被模拟量子系统的结构映射到计算机量子比特的布局中。典型量子系统由周期性晶格（如蜂窝状晶格）构成，节点表示可能的粒子位置，边线则描述粒子间可能发生的相互作用。量子计算机必须计算如何将这个被模拟量子系统的“图案”转换到其量子比特的架构上。“即使对量子计算机而言，这种计算也极为复杂，”目前任职于于利希研究中心和亚琛工业大学的卡特莫勒解释道。

在此排序工作中，此前必须单独计算被模拟量子系统的每个位置。如今，卡特莫勒与伯卡德提出了一种显著优化计算流程的新方法：他们不再逐点计算单个位置，而是利用量子系统中的规律性重复模式来简化计算。

复制马赛克

该方法可通过简单比喻说明：设想你需要复制一幅马赛克画作。你可以逐个瓷砖地将图案转移到纸上，但过程将极其耗时费力。但若知道该马赛克始终由相同规律图案构成，你只需截取特征片段并重复绘制即可。这种方法能极大加速绘制过程，因为你不再是放置单个石块，而是“一笔”放置整组石块。最终结果相同，但实现过程轻松得多。

卡特莫勒和伯卡德的量子模拟方法原理极为相似：计算不再依赖单点，而是基于整个重复集群，从而显著优化流程。该方法特别适用于材料科学领域的量子模拟，其中晶体等固体由周期性重复的原子排列构成。该技术适用于二维、三维及更高维度的量子系统。“我们的研究成果包含数学证明，表明该方法适用于所有类型的周期结构，同时还提供了开源软件，可用于将被模拟量子比特的图案转换到用户量子比特的架构中，”伯卡德表示。