新的基准有助于解决最难的量子问题

从亚原子粒子到复杂分子，量子系统是理解宇宙运作方式的关键。但有一个问题：当你试图模拟这些系统时，这种复杂性很快就会失控——想象一下，试图预测一大群人的行为，每个人都在不断影响其他人。把这些人变成量子粒子，你现在就面临着一个“量子多体问题”。

量子多体问题是为了预测大量相互作用的量子粒子的行为而做出的努力。解决这些问题可以推动化学和材料科学等领域的巨大进步，甚至推动量子计算机等新技术的发展。

但是，你放入的粒子越多，模拟它们的行为就越困难，尤其是当你寻找系统的基态或最低能量状态时。这很重要，因为基态告诉科学家哪些材料是稳定的，甚至可以揭示超导等奇异相。

每个问题都有一个解决方案：但是哪一个呢?

多年来，科学家一直依靠量子蒙特卡罗模拟和张量网络(变分波函数)等多种方法来近似解决这些问题。每种方法都有其优点和缺点，但很难知道哪种方法最适合哪个问题。到目前为止，还没有一种通用的方法来比较它们的准确性。

由 EPFL 的 Giuseppe Carleo 领导的大型科学家合作小组现已开发出一种名为“V 分数”的新基准来解决此问题。V 分数(“V”代表“变分准确度”)提供了一种一致的方式来比较不同量子方法在同一问题上的表现。V 分数可用于识别最难解决的量子系统，当前计算方法难以解决的系统，以及未来方法(如量子计算)可能具有优势的系统。

这一突破性方法发表在《科学》杂志上。

V 分数的工作原理

V 分数使用两个关键信息来计算：量子系统的能量以及该能量的波动程度。理想情况下，能量越低，波动越小，解决方案就越准确。V 分数将这两个因素合并为一个数字，这样就更容易根据不同方法与精确解决方案的接近程度对其进行排名。

为了创建 V 分数，该团队编制了迄今为止最广泛的量子多体问题数据集。他们对一系列量子系统进行了模拟，从简单的粒子链到复杂的受挫系统，后者以难度大而闻名。基准测试不仅显示了哪些方法最适合解决特定问题，还突出了量子计算可能产生最大影响的领域。

解决最困难的量子问题

通过测试 V 值，科学家们发现，有些量子系统比其他系统更容易解决。例如，一维系统(如粒子链)可以使用张量网络等现有方法相对容易地解决。但更复杂的高维系统(如受挫量子晶格)的 V 值明显更高，这表明这些问题更难用当今的传统计算方法解决。

研究人员还发现，依赖神经网络和量子电路的方法(两种很有前途的技术)甚至与现有技术相比也表现得相当出色。这意味着，随着量子计算技术的进步，我们可能能够解决一些最难的量子问题。

V 分数为研究人员提供了一个强大的工具来衡量解决量子问题的进展，尤其是在量子计算不断发展的情况下。通过找出最难的问题和传统方法的局限性，V 分数可以帮助指导未来的研究工作。例如，依赖量子模拟的行业(如制药或能源)可以利用这些见解来专注于量子计算可以为其带来竞争优势的问题。