因斯布魯克大學物理學家們提出了一個新模型，該模型可以證明量子計算機在解決優化問題方面優于經典超級計算機。在新一篇研究論文中證明，即使對于大型棋盤，只要幾個量子粒子就足以解決國際象棋中的n皇后問題。n皇后問題是一項數學任務，偉大的數學家卡爾·弗里德里希·高斯(Carl Friedrich Gauss)著手解決這個問題，但令人驚訝的是，他沒有找到正確的答案。

這里的挑戰是如何在一個8乘8方的古典棋盤上排列8個皇后，這樣就不會有兩個皇后互相威脅。從數學上講，比較容易確定有92種不同的排列方式。在25乘25的棋盤上，已經有超過20億種可能性，僅計算這個數字就需要花費53年的大型計算機CPU時間。如果一些皇后已經在場上，而某些對角線上可能沒有人，任務就會變得更加困難。新研究表明，有了這些附加的限制，在合理的時間內，經典數學算法已無法解決21個皇后的問題。

來自因斯布魯克大學理論物理系和奧地利科學院量子光學與量子信息研究所的沃爾夫岡?萊奇納說：我偶然發現了這個話題，并認為量子物理學真的可以在這里發揮它的優勢。雷納與赫爾穆特·里切(Helmut Ritsch)、博士生瓦倫丁·托格勒(Valentin Torggler)和菲利普·奧曼(Philipp Aumann)一起開發了一款量子棋盤，在量子物理學的幫助下，可以通過實驗解決皇后之謎。

從原子到象棋皇后

同時也是因斯布魯克理論物理系成員的Helmut Ritsch說：將單個原子置于其中激光束的光學晶格可以用作棋盤。通過調整原子之間的相互作用，可以讓原子成為國際象棋皇后，它們按照國際象棋規則行事，也就是在棋盤的各個方向相互躲避。粒子這種斥力是在沿運動方向施加激光的幫助下產生。通過一個光學諧振器(在光學柵格上下的兩個鏡子)這種相互作用進一步加強，從而在更大的距離上變得有效。

一個人也可以玩這個游戲與相應的排斥性，但因為有這么多的可能性，這將需要非常、非常長的時間。因此，至關重要的是原子被非常強烈地冷卻下來，并使它們的量子特性發揮作用。因為它們的行為就像波一樣，可以同時測試很多可能性。然后，在給定條件下，根據國際象棋規則是否存在有效的解決方案就會很快變得顯而易見。

量子霸權即將出現

在給定的限制條件下是否存在解，這個問題的答案可以很容易地從諧振器發出的光中讀出。但原子后的具體排列只能通過原子顯微鏡來確定，這種方法最近在相關實驗中得到了成功應用。經典計算機上的模擬結果強烈表明，因斯布魯克理論學家設計的實驗，將比經典計算機上任何數學算法得出的結果快得多。

沃爾夫岡?萊納總結道：這將首次明確證明量子計算機在計算某些優化問題上的優勢。控制幾十個原子已經是實驗室的標準做法，這就是為什么這個想法可能很快就會成為現實。

博科園｜研究/來自：因斯布魯克大學

參考期刊《Quantum》

DOI: 10.22331/q-2019-06-03-149

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總結

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