量子计算利用量子力学定律，可以解决从医学到机器学习等广泛领域的紧迫问题，而这些问题对于传统计算机来说过于复杂。

量子模拟器是由相互作用的量子单元组成的设备，可以通过编程来模拟物理世界的复杂模型。通过以受控方式改变相互作用并测量量子模拟器的最终行为，科学家可以获得有关这些模型的信息，进而了解现实世界。

在《物理评论B》上发表的一篇论文中，加州大学河滨分校领导的研究小组提出了一系列量子磁性物体，称为自旋中心，在外部磁场的作用下，它们可以量子模拟物质的各种磁相以及这些相之间的转变。

研究团队负责人、物理学和天文学教授蔡善文 (Shan-Wen Tsai) 表示：“我们正在设计容纳自旋中心的新设备，用于模拟和研究传统计算机无法充分研究的有趣物理现象。固态材料中的自旋中心是局部量子物体，在设计新型量子模拟器方面具有巨大的未开发潜力。”

据蔡崇信的研究生兼论文第一作者特洛伊·洛西 (Troy Losey) 介绍，这些设备的进步可以让我们研究更有效的信息存储和传输方式，同时还可以开发制造室温量子计算机所需的方法。

“与最初提出的设备相比，我们有很多关于如何改进基于自旋中心的量子模拟器的想法，”他说。“采用这些新想法并考虑更复杂的自旋中心排列可以帮助创建易于构建和操作的量子模拟器，同时仍然能够模拟新颖而有意义的物理。”

Tsai 和 Losey 回答了有关这项研究的问题：

什么是量子模拟器?

蔡：这是一种利用量子力学的异常行为来模拟普通计算机难以计算的有趣物理现象的设备。与使用量子比特和通用门操作的量子计算机不同，量子模拟器是单独设计的，用于模拟/解决特定问题。

通过牺牲量子计算机的通用可编程性，利用不同量子相互作用和几何排列的丰富性，量子模拟器可能更容易实现，并为量子设备提供新的应用，这很重要，因为量子计算机还没有普遍应用。

自旋中心是一个大约原子大小的量子磁性物体，可以放置在晶体中。它可以存储量子信息，与其他自旋中心通信，并受激光控制。

这项工作有哪些应用?

Losey：我们可以构建提议的量子模拟器来模拟物质的奇异磁相及其之间的相变。这些相变非常有趣，因为在这些转变中，非常不同的系统的行为变得相同，这意味着存在连接这些不同系统的潜在物理现象。

构建该设备所采用的技术也可用于基于自旋中心的量子计算机，这是开发室温量子计算机的主要候选者，而大多数量子计算机需要极低的温度才能运行。

此外，我们的设备假设自旋中心位于一条直线上，但可以将自旋中心放置在三维空间中。这可以让我们研究比目前计算机使用的方法更有效的基于自旋的信息设备。

由于量子模拟器比量子计算机更容易构建和操作，我们目前可以使用量子模拟器来解决普通计算机无法解决的某些问题，同时等待量子计算机变得更加完善。

然而，这并不意味着量子模拟器可以毫无挑战地建造出来，因为我们现在才刚刚接近掌握操纵自旋中心、生长纯晶体和在低温下工作以建造我们提出的量子模拟器的技巧。