可以类比于飞机的风洞实验。
风洞实验的意义是，（1）建造大飞机、试飞、改进这一过程成本太高时间太长，（2）计算机数值模拟不够准确。建一个没有动力的模型放在风洞里吹，虽然和主动飞行的飞机相去甚远，但是可以很好的模拟真正的飞机在空中飞行的动力学，而且因为模型很小我们可以很好地获取重要的数据，因为模型造价低廉，我们可以根据数据改进飞机的参数，不停地优化。
量子模拟也类似。只不过因为量子物理的空间尺度比较小，时间尺度比较短，我们一般喜欢将系统放大放慢，便于测量。举一个量子模拟领域最重要的研究手段：用光晶格中的冷原子模拟固体晶格中的电子。
首先为什么我们要研究这个问题？主要原因之一是为了研究固体材料中高温超导的机制。
为什么不能直接测高温超导材料？因为电子“看不见”。导体导电说白了就是电子在原子核组成的晶格中移动。困难首先是空间尺度，固体晶格尺度是纳米，而光的波长是百纳米，所以我们看不清楚固体材料里面发生的事情。而且电子的动力学时间尺度也很小，在10GHz以上（根据电子迁移率估算的，不知道靠不靠谱，但反正很快），我们的电子学器件的响应没有那么快。因为这些困难，现有的凝聚态实验手段主要是测量宏观数量的电子的集体输运行为，说白了就是花样测电阻。至于量子相干性、动力学过程都是很难测到的。
为什么要用量子模拟？因为人们猜测电子电子相互作用在高温超导中扮演了重要角色，但是相互作用的电子是很难用经典计算机模拟的。我们的笔记本能算到~14个电子，超级计算机能算到~40个，如果我们想模拟一个三维的长方体，每条边长也就三个原子，看到的全是边界效应，更不用说计算时间非常长（几天到几十天）。具体原因是电子电子相互作用又导致我们必须把所有电子一起考虑，而量子系统的复杂度随着电子的数量指数增长（没有相互作用的话，就可以一个电子一个电子地算，这个就很简单了，我们现有的导体、绝缘体理论是基于这种单电子模型）。而冷原子现在可以很好地操控50到100多个粒子（这是有较好的测量和控制精度的系统，如果不考虑这一点，人们已经观察到了~10^5个原子的量子纠缠）。
为什么能用冷原子模拟？因为固体中电子导电说白了就是电子在原子核组成晶格中移动，这个和原子在光波组成的晶格中移动没有本质区别。当然原子有玻色子有费米子，电子是费米子，为了模拟电子的话我们选用费米子原子就好了。
用冷原子模拟有什么好处？之前说了，直接测固体的难点在于空间尺度小，时间尺度短。光晶格+冷原子可以很好地解决这个问题。光晶格的尺度就是光的波长，以现有的技术可以清晰地看到每一个晶格上的原子。原子在晶格中移动的时间尺度是毫秒，iphone的秒表时间精度都有10毫秒了，所以测量动力学也不在话下。另外就是原子可以吸收和放出光子，我们可以用激光很好地操控、测量原子。
当然量子模拟是这几年新兴的领域，带给我们的新的物理还不多，不过据说哈佛大学的Greiner研究组已经实现的冷费米子温度只比与理论学家估算的高温超导温度高不到一个数量级，我想随着技术的进步，很快我们就可以以单个晶格的精度观测高温超导现象。一旦观察到之后，将会对我们理解高温超导的物理原理，并设计更高转变温度的材料提供巨大的帮助。
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来源：知乎 www.zhihu.com
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