量子计算机模拟物质“凭空出现”

这项于 9 月 23 日发表在 Nature Physics 上的研究展示了离子阱量子计算机如何成为探索基础物理学中一些最深奥问题的强大工具。该实验模拟了一个被称为弦断裂的过程，在这个过程中，两个相连的物质构建块被拉开，直到积累了如此多的能量，以至于当连接断裂时，新粒子可以有效地“弹出”。

“量子计算机模拟提供了研究物质形成等复杂问题的最佳平台，仅次于亲眼目睹大爆炸本身，”领导这项研究的 Duke 的 Gilhuly Family Presidential Distinguished Professor of Electrical and Computer Engineering and Physics，Christopher Monroe 说道。“这些发现标志着量子科学领域的显著发展，并为我们理解弦断裂动力学开辟了新途径。”

这项研究是由一个国际合作团队完成的，其中包括来自 University of Maryland (UMD)、Oxford University、California Institute of Technology、Cornell University 和 KU Leuven 的研究人员。这些发现与另外两项最近发表的研究一同出现，这两个独立团队使用不同类型的量子计算硬件重现了类似的物理现象。

为什么夸克不能被简单地拉开

夸克是已知最基础的物质构建块之一。它们存在于质子和中子等粒子内部，大小约为原子的十亿分之一。科学家目前无法直接观察孤立的夸克，因为夸克通常紧密结合在一起。

想象这一过程的一种方法是，想象两个微小的带电粒子被一根紧绷的弦连接在一起。它们被拉得越开，连接它们之间的能量就存储得越多。

最终，能量可以积累到足以产生额外的带电粒子。这是可能的，因为质量和能量通过 Einstein 著名的方程 E=mc² 相关联。原始连接断裂并形成新的粒子对，而不是以一对分离的粒子告终。

这些过程需要巨大的能量，通常只在极端条件下发生，例如在 大型强子对撞机 (Large Hadron Collider) 内部产生的条件，或被认为在大爆炸后不久存在的条件。

在量子机器中重现弦断裂

在新的实验中，由 Duke 领导的团队使用离子阱量子平台重现了类似的弦断裂行为。量子模拟器对于此类工作特别有用，因为研究人员可以精确地控制它们，并对它们进行编程，以模仿发生在原子和亚原子尺度的物理过程。

“在量子模拟和高能物理的交叉领域工作令人难以置信地兴奋，”该论文的第一作者、Monroe 实验室的前博士生、现任 QuEra Computing 生产机器负责人的 Arinjoy De 说道。“通过在受控的实验室环境中模拟夸克禁闭和弦断裂现象，我们正在为实验研究物质在最基础层面的行为开辟新路径。”

为了构建模拟，研究人员将弦断裂模型编码到由 13 个离子阱组成的链中。然后使用精心控制的激光束来调整离子之间的相互作用方式。

这些相互作用使团队能够控制系统的能量，从而重现类似弦的粒子的拉伸并最终断裂的过程。

观察量子系统的演化

研究人员将系统置于非平衡态，然后观察其随时间的变化。这使他们能够检测到有效电荷的出现，并重建与模拟弦断裂过程相关的动力学。

为了检查结果，团队还使用经典计算机模拟了相同的过程。经典计算结果与量子模拟器产生的实验结果一致。

对于这种相对较小规模的模拟，经典计算机仍然可以执行计算。然而，研究人员预计，随着未来的实验变得更大、更复杂，量子计算机最终将能够解决经典机器无法处理的这些问题的版本。

其他研究小组最近也使用不同形式的量子硬件达到了类似的里程碑。由 Google 和 QuEra Computing 领导的团队分别使用超导电路和中性原子重现了相关的弦断裂模型。每种方法都有其自身的优势和局限性。

“这是量子计算领域领先的三个平台，因此对于量子社区来说，这是一个很好的基准和比较，”Monroe 补充道。

迈向超越超级计算机的模拟

离子阱的结果代表了迈向量子模拟的又一步，这些模拟过于复杂，即使是世界上最强大的传统超级计算机也无法处理。

如果量子系统继续扩大规模，研究人员最终可以利用它们来研究在实验室中难以或不可能直接重现的问题，包括大爆炸后不久物质的行为和演化方式。

“作为一名物理学家，在原子级计算机器中研究早期宇宙的条件是极其令人兴奋的，”研究团队成员、UMD 物理学副教授 Zohreh Davoudi 说道。“即使是从非平衡物理模型中获得的微小见解，也将在未来引导我们。”

该研究得到了 Department of Energy (DE-SC0020312, DE-SC0025341, DESC0019040, DE-SC0024220, DE-SC0020271), National Science Foundation (OMA-2120757), Air Force Office of Scientific Research, Defense Advanced Research Projects Agency 和 Amazon Web Services 的支持。