本说明书涉及量子模拟器，更准确地说，涉及配置为模拟复杂非线性方程的解的演化的量子模拟器。本说明书还涉及使用这种量子模拟器来模拟复杂非线性方程的解的演化的方法。本说明书还涉及包括这种量子模拟器的远程计算系统。
背景技术：
1、技术进步和工业发展尤其依赖于解决与真实系统(即物理存在并能在其上进行测量的系统)的行为相关的问题。这样的问题是非常多样的。例如，它们可以包括优化机翼的形状以增加其升力，或者在知道先前时间的天气的情况下预测未来时间点世界上的预定区域的天气，即天气预报问题。这些问题可能意味着复杂非线性方程的求解。天气预报的例子特别意味着大气动力学的建模和非线性方程的求解，这些非线性方程包括与压力场、密度场和速度矢量场相关的欧拉方程。
2、通常，这些问题通过使用例如在诸如计算机之类的处理系统上执行的数值模拟来解决。在这种系统中(在本说明书中也称为数值模拟器)，描述问题的物理模型的方程被以比特为单位数字化和离散化。这种系统被配置成接收对应于与问题相关的真实系统的已知初始状态的输入数据，求解或找到描述问题的物理模型的数字化方程的近似解，并生成形成问题的解的输出数据。具体来讲，所述输入数据包括与物理模型的方程相关的系数数据和从实际系统的一个或几个已知状态推断出的初始或边界条件。
3、多年来，这一过程已被证明是一种有效的科学的方法，然而仍然存在许多不容易被模拟的问题，例如高能、核能、原子和凝聚态物理、热速率常数和分子能领域的问题。
4、事实上，对于这些问题中的一些，随着要模拟的系统的变量的尺寸和数量的增加，模拟时间(提供模拟结果所需的时间)增长得太快，以至于用数值模拟来解决它们变得不切实际，即使是使用最好的可用的超级计算机。此外，数值模拟器通常使用高能耗的冷却系统，这与如今占主导地位的环境考虑几乎不相容。
5、因此，人们一直对构建能够提供比经典数值模拟器更快的计算时间和更低的功耗的量子模拟器感兴趣。此外，这种量子模拟器能够提供用当前数值模拟器难以或不可能模拟的非经典效应的模拟。
6、如[参考文献1]中所公开的，量子模拟器是可控系统，其被配置为模仿不容易控制的真实系统的属性。这种量子模拟器包括例如基于超导电路的系统、基于里德伯态原子的系统或基于囚禁离子的系统。
7、然而，当前的量子模拟器通常难以操作，并且通常需要庞大的设备，这使得它们在实验室环境之外的使用不切实际。特别是，大多数这样的量子模拟器需要极冷的温度(低于几开尔文)才能运行。
8、有趣的是，[参考文献2]公开了一种适用于研究光波凝聚现象的实验系统。这种实验系统依赖于光在由铷(rb)蒸汽室(即由铷原子气体组成的室)组成的非线性介质中的传播。如图1所示，该实验系统包括发射光场的激光源10，该光场通过透镜li被发送到扩散器d以产生散斑光场。所述散斑光场被发送到rb蒸汽室11，并且在蒸汽室11中传播之后，散斑光场的振幅被发送穿过透镜l2并使用ccd照相机12测量。特别地，[参考文献2]公开了这种实验系统能够用于在不使用极冷温度的情况下观察由非线性薛定谔方程描述的现象并探索这种方程的不同状态。
9、发明人首次展示了量子模拟器如何受益于包括蒸汽室的量子系统的相对简单的操作，以提供比现有技术的量子模拟器更紧凑且更容易操作的量子模拟器。
技术实现思路
1、在下文中，术语“包括”是“包含”和“含有”的同义词(意思相同)，是包容性和开放性的，并且不排除其他未列举的元素。此外，在本公开中，当涉及数值时，术语“大约”和“基本上”是包括在该数值的80％和120％之间，优选90％和110％之间的范围的同义词(意思相同)。
2、根据第一方面，本说明书涉及一种模拟复杂非线性方程的解的演化的量子模拟器，该量子模拟器包含：
3、-至少第一波长可调的激光器，其被配置为发射具有可调中心波长和给定功率的光；
4、-蒸汽室，其包括在给定温度下的原子或分子气体；
5、-光束整形器单元，其布置在所述至少第一波长可调的激光器和所述蒸汽室之间，并被配置成改变发射光的相位和/或振幅，其中所述蒸汽室被配置成在所述光束整形器单元的输出处接收光，使得所述光与所述气体相互作用以产生输出光；
6、-控制单元，其配置为：
7、-接收包括所述复杂非线性方程的初始条件和系数数据的输入数据；以及
8、-利用光束整形器单元设置发射光的相位和/或振幅，设置发射光的功率和/或中心波长，以及设置气体的温度，使得所述光和所述气体之间的相互作用映射具有所述初始条件和所述系数数据的复杂非线性方程。
9、-波前检测器，其被配置为检测所述输出光的波前的至少一部分的相位和/或振幅；
10、-处理单元，其被配置为根据检测到的波前的所述相位和/或振幅计算包括所述复杂非线性方程的解的值的输出数据。
11、这种量子模拟器能够模拟复杂非线性方程的解的演化，例如时间演化或空间演化，这种解是所述复杂非线性方程的解的数学函数。
12、特别地，在本说明书中，复杂非线性方程的解的演化的模拟被理解为某一过程，通过该过程人们能够从所述复杂非线性方程的初始条件获得方程的所述解的值。所述复杂非线性方程的解的所述值来自处理单元计算的输出数据。
13、有利地，这种初始条件对应于真实系统的已知初始状态，例如物理参数的2d场，例如大气层中的2d压力场，并且复杂非线性方程的解的所述值对应于所述真实系统的状态。
14、方程的初始条件的值和系数数据的值作为输入数据被提供到量子模拟器。
15、这种演化是关于复杂非线性方程的解的函数的至少一个坐标的演化。例如，这种演化能够是时间演化或空间演化。
16、在本说明书中，能够定义量子模拟器的参数，这些参数是模拟器的元件的物理参数，这些元件例如是蒸汽室、光束整形器单元和激光器。这些参数包括例如发射光的功率、发射光的振幅、发射光的相位、发射光的波长、发射光的频率、气体的温度和蒸汽室的组成。这样的参数中的至少一些能够被修改。
17、发射光的功率是以瓦特表示的发射光的总功率。
18、根据一个或更多的实施例，根据第二方面的方法中的发射光具有频率调制或振幅调制。
19、根据一个或更多的实施例，根据第二方面的方法中的发射光具有非经典光子统计特性或涨落。
20、在根据本说明书的量子模拟器中，使用复杂非线性方程的初始条件的值和系数数据的值来设置量子模拟器的参数。
21、具体来讲，初始条件的值可用于设置发射光的相位和/或振幅，所述相位和/或振幅例如是在横向于发射光传播方向的平面中定义的。
22、此外，系数数据的值可用于设置发射光的功率和/或发射光的中心波长(或频率)以及气体的温度。
23、这种原始的量子模拟器使用不需要超低温的蒸汽室，易于操作且紧凑。因此，与现有技术的量子模拟器(例如基于超导电路、囚禁离子或里德伯原子的量子模拟器)相比，这种量子模拟器更容易操作、体积更小并且具有更低的功耗。
24、根据一个或更多的实施例，所述原子或分子处于基态。
25、根据一个或更多的实施例，蒸汽室包括以下原子：铷(rb)原子、钾(k)原子或铯(cs)原子。
26、根据一个或更多的实施例，蒸汽室包括以下分子：双氮(n2)、双氧(o2)、六氟化硫(sf6)。
27、根据一个或更多的实施例，所述光束整形器单元包括空间光调制器或数字微镜装置。
28、根据一个或更多的实施例，所述蒸汽室还包括缓冲气体，例如包括氦(he)或氩(ar)或双氮(n2)的惰性气体。
29、这种缓冲气体提供了一种在较低激光功率和较低蒸汽室温度下模拟包括非线性的复杂非线性方程的解的演化的方法，这降低了量子模拟器的能量消耗。特别地，可以模拟包括扩散项、特别是超扩散项的复杂非线性方程的解的演化。这些超扩散项能够对应于例如包括列维飞行的随机漫步。
30、根据一个或更多的实施例，所述蒸汽室还包括具有内涂层的壁，该内涂层被配置成防止包含在蒸汽室中的原子或分子去极化。
31、根据一个或更多的实施例，这种内涂层包括例如石蜡涂层。
32、根据第二方面，本说明书涉及一种模拟复杂非线性方程的解的演化的方法，这种方法包含：
33、-发射具有可调中心波长和给定功率的光；
34、-接收包括所述复杂非线性方程的初始条件和系数数据的输入数据；
35、-利用所述系数数据设置发射光的功率和/或中心波长；
36、-利用所述初始条件，使用光束整形器单元设置发射光的相位和/或振幅；
37、-使所述光束整形器单元的输出处的光与蒸汽室中给定温度的原子或分子的气体相互作用以产生输出光，其中发射光的中心波长、功率、相位和/或振幅以及气体的温度被设置成使得所述相互作用映射具有所述初始条件和所述系数数据的复杂非线性方程；
38、-检测所述输出光的波前的至少一部分的相位和/或振幅；
39、-根据检测到的波前的所述相位和/或振幅，计算包括所述复杂非线性方程的解的值的输出数据。
40、根据一个或更多的实施例，所述复杂非线性方程是非线性薛定谔方程。
41、根据一个或更多的实施例，所述复杂非线性方程是修正的非线性薛定谔方程，其还包括与发射光的功率的平方成比例的项和/或与发射光的功率成四次方比例的项。
42、利用这种量子模拟器，可以模拟对应于线性和/或二次相互作用的现象。
43、根据一个或更多的实施例，所述复杂非线性方程是包括非局部相互作用项(nonlocal interaction term)的修正的非线性薛定谔方程。
44、根据一个或更多的实施例，所述复杂非线性方程是欧拉2d方程。
45、根据一个或更多的实施例，所述输入数据包括真实系统的二维场。
46、根据一个或更多的实施例，根据第二方面的方法中的发射光具有频率调制或振幅调制。
47、根据一个或更多的实施例，根据第二方面的方法中的发射光具有非经典光子统计特性或涨落。
48、根据第三方面，本说明书涉及一种远程计算系统，包括：
49、-根据第一方面的量子模拟器，其被配置为接收输入数据并产生输出数据；
50、-网络通信单元；
51、其中所述网络通信单元被配置为：
52、-通过网络从远距离用户接收用户数据，并生成发送到所述量子模拟器的输入数据；以及
53、-接收由所述量子模拟器计算的输出数据，并根据所述输出数据生成输出用户数据，其中所述输出用户数据通过网络发送给所述用户。
54、利用这种远程计算系统，即使用户实际上不在量子模拟器附近，该用户也可以利用量子模拟器。如果用户远离量子模拟器但经由网络(例如互联网连接)连接到量子模拟器，那么这是特别有利的。
1.一种量子模拟器(200)，其用于模拟复杂非线性方程的解的演化，所述量子模拟器包括：
2.根据权利要求1所述的量子模拟器，其中，所述原子或分子处于基态。
3.根据前述权利要求中任一项所述的量子模拟器，其中，所述蒸汽室(205)包括以下原子：铷原子、钾原子或铯原子。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的量子模拟器，其中，所述蒸汽室(205)包括以下分子：n2、o2、sf6。
5.根据前述权利要求中任一项所述的量子模拟器，其中，所述光束整形器单元(203)包括空间光调制器或数字微镜装置。
6.根据前述权利要求中任一项所述的量子模拟器，其中，所述蒸汽室(205)还包括缓冲气体。
7.根据前述权利要求中任一项所述的量子模拟器，其中，所述蒸气室(205)包括具有内涂层的壁，所述内涂层被配置成防止包含在所述蒸汽室(205)中的原子或分子去极化。
8.一种用于模拟复杂非线性方程的解的演化的方法，其包括：
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述复杂非线性方程是非线性薛定谔方程。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述复杂非线性方程是修正的非线性薛定谔方程，包括与所述发射光的功率的平方成比例的项和/或与所述发射光的功率成四次方比例的项。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述复杂非线性方程是包括非局部相互作用项的修正的非线性薛定谔方程。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述复杂非线性方程是欧拉2d方程。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述输入数据包括二维压力场或二维速度场。
14.一种远程计算系统(300)，包括：
