2026年5月21日——西蒙斯基金会旗下弗拉蒂隆研究所计算量子物理中心（CCQ）的物理学家携手波士顿大学的合作者，利用常规计算机以及尖端的数学工具和代码，攻克了一个此前据称只有量子计算机才能解决的棘手量子物理学难题。

这项技术的高效性堪称开创性，研究人员甚至能用一台个人笔记本电脑来解决该问题。这一突破性方法使科学家能够从经典计算机中挖掘出更多问题求解能力，为量子动力学研究开辟了新途径，并可能作为在众多可行方案中寻找最优解的协议。

研究人员于5月21日在《科学》杂志上报告了他们的工作。

面临的问题涉及模拟一个由数百个相互作用的“量子比特”（量子计算中相当于经典计算机中使用的比特）组成的量子系统，这些量子比特排列成方形、立方体或菱形晶格。虽然比特只能取0或1的值，但量子比特可以存在于多个值的叠加态，这使得传统计算机难以模拟它们的动力学行为。

在2025年3月同样发表在《科学》杂志上的一篇文章中，一组量子计算研究人员报告称，他们用量子计算机计算了一个特别复杂的量子比特系统的动力学行为。他们进一步声称，这一成就是经典计算机无法企及的。

CCQ副研究员、这篇新《科学》论文的第一作者约瑟夫·廷德尔表示：“每当我们在CCQ看到这类说法时，总是会有些怀疑。比如，‘你试过这个吗？你试过那个吗？’”

这项研究给他们的工具提供了一个“试驾”的机会，研究合著者、CCQ研究科学家迈尔斯·斯托登迈尔说。斯托登迈尔表示：“我们本可以选一些更随意的目标，但问题是‘为什么不选这个有重大声明的目标呢？’”

由于量子纠缠的存在，这项工作尤其具有挑战性，这意味着即使量子比特相距甚远，也不能单独处理。廷德尔说，这种纠缠需要复杂的算法来解决。

“当大量粒子通过量子物理学相互作用时，会产生一个波函数来描述系统的状态，”廷德尔说，“这是一个极其庞大的对象，随着粒子数量的增加，它会迅速变得越来越大。”

随着波函数的大小呈指数级增长，“我根本无法直接把它存储在我的计算机上，”他说。处理如此庞大的波函数是量子物理学中的一个常见挑战，但对于预测超导体等量子材料的性质等任务来说，这是必需的。

CCQ团队通过开发并实施基于张量网络的新工具实现了这一突破。廷德尔将张量网络比作“波函数的压缩文件，你获取所有信息，将其压缩成这种充满相互连接的数字小表格的数学数据结构。”

张量网络使经典计算机能够处理该问题。廷德尔使用一台笔记本电脑，借助CCQ开发的高性能张量网络软件库ITensor中的代码，完成了许多初始计算。最近发表的模拟结果展示了ITensor团队如何发现将张量方法重新用于新颖应用的新途径。这些模拟利用三维张量网络捕获了三维动力学行为。

“这是一种非常强大的压缩方法，可以非常有效，但它是一个相当复杂的数学对象，”廷德尔说，“这确实有点像是前沿探索，因为处理这些对象——尤其是在三维空间中——非常无人涉足。你需要复杂的代码和算法来处理它们；这本身就是一项软件工程挑战。”

该团队使用相对适中的计算资源完成了许多模拟。廷德尔使用了一种源自20世纪80年代、最近才被改编用于量子系统的较老算法——称为置信传播——进行了初始计算。“这种算法比其他一些方法更近似一些，但计算代价要低得多，我们可以更直接地用它来处理许多更困难的问题，”斯托登迈尔说。他将其与该领域过去更复杂的方法进行了对比，那些方法“甚至无法开始处理某些三维问题，因为它们规模太大了。”

尽管只使用了适中的计算硬件，研究人员仍证明了他们的模拟达到了最先进的精度。这些模拟收敛于与理论预测相匹配的解，并且在应用于小型测试问题时提供了准确的结果。结果也与量子计算研究人员报告的结果一致——但无需量子计算机。

尽管经典计算和量子计算领域的研究人员可能就各自子领域的局限性存在分歧，但廷德尔和斯托登迈尔指出，这两种方法之间也存在可以共享的知识和灵感。

“经典计算与量子计算之争的好处在于，我们感兴趣的这类模拟、我们编写的代码以及量子计算机上能实现的内容之间存在着大量的协同作用，”廷德尔说，“这可以为我们提供指导，也可以为量子计算研究人员提供帮助，因为显然，我们在模拟某些事物上的入门门槛比他们要低得多——我们不需要建造一台量子计算机。我只需编写一些代码，然后在我的个人电脑上按‘运行’键就行了。”

该团队正在进一步推动他们的工作，开发工具以超越量子比特系统，解决涉及可在不同位置间移动的电子的难题——这是一个更艰巨的挑战，直接与模拟量子材料相关。斯托登迈尔说：“这些问题在定量上确实困难得多。所以这是我们下一个要攻克的大目标之一。”