摘要：模拟复杂量子现象的挑战是我们加深对宇宙理解的一大障碍，越来越多的研究人员转向量子计算机来克服这一挑战。Priyasheel Prasad 与都灵理工大学控制与计算机工程系的 Marco Russo 和 Bartolomeo Montrucchio 合作，研究量

模拟复杂量子现象的挑战是我们加深对宇宙理解的一大障碍，越来越多的研究人员转向量子计算机来克服这一挑战。Priyasheel Prasad 与都灵理工大学控制与计算机工程系的 Marco Russo 和 Bartolomeo Montrucchio 合作，研究量子计算机精确模拟单光子实验的能力。他们的工作重点是模拟涉及标准测量和一种名为“保护性测量”的更精细技术的实验，这种技术可以在观察过程中保持光子的微妙量子态。通过将模拟结果与现有的理论预测进行比较，该团队展示了量子计算机如何有效地复制现实世界的物理系统，尤其是在这些系统复杂性不断增加的情况下，这为验证和改进量子模拟技术提供了一条充满希望的途径。

量子计算的主要应用之一是高效模拟量子系统的动态特性，这使其在计算方面优于传统计算机。目前有两种不同的量子模拟方法：一种允许量子态完全改变，另一种将弱相互作用与保护机制相结合，使量子态的属性在测量之前保持不变。这种模拟方法有助于我们了解量子计算机在计算复杂度增加的情况下如何高效地模拟实际物理系统。

光子演示保护性测量原理

本研究详细介绍了一个量子实验及其理论基础，旨在演示和验证保护性测量——一种最大限度地减少对被测系统干扰的新方法。实验中，光子穿过光学元件，包括半波片、偏振分束器和双折射晶体，这些元件受到精心控制，以操纵偏振并引入对保护性测量过程至关重要的相移。最后的偏振器测量光子的状态。核心思想是通过双折射晶体利用弱相互作用来提取量子态的信息，而不完全改变量子态。这是通过精心控制相互作用强度并使用技术来选择特定的测量结果，从而放大弱效应来实现的。该研究利用波函数来描述光子的状态，用傅里叶变换来关联不同的表示，并利用弱值的概念以及后选择来放大弱效应。

光子测量和波函数坍缩的量子模拟

研究人员演示了单光子在复杂光学实验中传播的量子模拟，这标志着利用量子计算机模拟物理系统迈出了重要一步。该研究复制了一项涉及光子保护性和非保护性测量的实验，其中保护性测量保留了光子的波动性，而标准测量则导致光子坍缩。通过模拟这一过程，研究团队评估了量子计算在模拟现实世界量子现象方面的效率。理论计算预测了光子波函数的演化，而量子模拟则反映了这种演化。

结果表明，模拟准确地再现了实验中光子的行为，展现了量子计算机模拟复杂量子系统的潜力。值得注意的是，模拟成功捕捉到了通过保护性测量实现的生存概率提升，而这一现象很难用经典方法进行建模。模拟的成功凸显了量子计算机解决复杂波动现象问题的潜力，为量子成像和传感等领域的进步打开了大门。

量子测量模拟验证理论预测

本研究探究了量子模拟精确建模物理系统的能力，尤其侧重于量子态的保护性和非保护性测量。研究团队使用量子电路模拟了这些测量，并将结果与理论预测进行了比较，发现两者之间存在很强的相关性。模拟表明，随着测量过程步骤的增加，量子方法可以有效地复制这些系统的行为。研究团队观察到，即使计算步骤有限，模拟结果也与理论预测高度吻合。作者承认，模拟的准确性受到输出状态向量有限采样的限制，需要进一步研究噪声和更复杂系统相互作用的影响。未来的工作可以侧重于将这些模拟扩展到更现实的场景，并探索利用量子模拟解决物理学和其他领域实际问题的潜力。

来源：老赵说科学