沸騰的水汽化為水蒸氣，冰塊在玻璃杯中融化，這些常見的現象就是所謂的相變。然而，另一種類型的相變很難觀測到，它在微觀層面非常明顯：量子相變。

　　圖1 兩個量子相變的“映射”圖。不同顏色代表不同相以及不同相之間的過渡

　　當環境溫度冷卻至接近絕對零度時，某些材料內部會發生奇妙的量子相變，這種材料從磁性轉變為非磁性，也可以突然獲得超導性，以零損耗能傳導電子。

　　然而，即使對于超級計算機，這些轉變背后的理論計算也是一個大難題。近日，芝加哥大學團隊提出了一種處理這種復雜計算的新方法，該方法可能突破現有的量子技術。它的快捷性在于僅僅將最重要的信息作為方程的未知數，并創建模擬系統中所有可能相變的“映射”。以上研究成果已發表在期刊《Physical Review A》。

　　該論文通訊作者，芝加哥大學化學系、詹姆斯·弗蘭克研究所的理論化學學家David Mazziotti說：“這是一種研究量子相變的有前景的方法，既可用于傳統計算機，也可用于量子計算機。”

　　此外，該團隊認為，如果科學家能夠完全理解量子相變背后的復雜物理學，我們就可以打開新技術的大門。例如，過去的類似發現為核磁共振成像儀和晶體管打下理論基礎，促進了現代計算機和手機的發展和普及。

　　流線型方法

　　日常生活的相變，如蒸發和冷凝，是由溫度場的變化激發的，但是量子相變是由環境中的某些干擾激發的，比如磁場。

　　這種現象是許多電子相互作用的結果——電子間相互作用是強關聯物理學的一個復雜子領域。傳統方法模擬量子相變必須創建一個包含每個電子運動可能性的模型，但運行這些模擬很容易使計算機崩潰。

　　因此，量子計算機被認為比傳統計算機更適合解決這類問題，那么隨之而來的問題是：這些方程產生了大量的數據，然后需要被翻譯回“普通”計算機的識別語言，以便科學家使用它們分析。

　　基于此，該團隊預計在不算是準確性的同時，簡化計算過程。

　　他們沒有創建一個模擬程序來計算特定子系統中的每一個變量，而是找到另一種方法：用一組數據描述每一對電子之間可能的相互作用，即“雙電子還原密度矩陣”。

　　該論文第一作者、在讀研究生Sam Warren解釋說：“通過測量描述雙電子還原密度矩陣的集合，我們最終創建了量子系統可能經歷的所有不同階段的映射。”（如圖1）

　　這個映射本身還有其他優勢，Sam Warren說：“它讓你看到平時可能會錯過的過渡態，它創建了一個強大的可視化平臺，輕松快速地掌握高階全空間視圖。”

　　該論文第二作者，在讀研究生LeeAnn Sager-Smith說：“它給了我們這個系統所需的基礎物理知識，同時最大限度地減少了計算需求。”

　　Mazziotti希望這種方法不僅能夠在量子計算機上運行模擬，而且能夠幫助我們全面理解量子相變。他表示：“由于有些區域很難建立模型，材料中的這些區域沒有充分計算。我們期望這種方法能夠打開一些新大門。”

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