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量子计算机首次模拟高能粒子碰撞实验

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:9

    量子计算机首次模拟高能粒子碰撞实验

    【图注】研究人员实现量子模拟时所用的离子阱。

    物理学家首次在量子计算机上完整模拟了一次高能物理实验,重现了粒子和反粒子对的产生。如果实验团队能够扩大量子计算机的规模,就有可能处理对于普通计算机来说处过于复杂的计算。

    为了准确理解理论的预言,物理学家一般会做计算机模拟。然后对比模拟的结果和真实的实验数据来检验理论。

    然而在某些情况下计算过于困难,无法通过第一性原理做出预言。对于涉及强核力的现象更是如此,而强核力决定夸克如何约束在一起成为质子和中子,以及这些粒子如何形成原子核,奥地利因斯布鲁克大学的理论物理学家、模拟团队成员克里斯蒂娜·穆希克(ChristineMuschik)说。

    许多研究者期望未来的量子计算机可以帮助解决这一问题。量子计算机仍处于研发的最初的阶段,它们可以利用物体能够同时处于多个状态的的物理特性,将信息编码在“量子比特”里,而不是只有开启或关闭两种状态的经典比特。一台由量子比特构成的计算机可以同时进行多个计算,在完成某些任务时要比普通计算机快得多。

    巧妙运用量子比特

    埃斯特班·马丁内斯(EstebanMartinez)是因斯布鲁克大学的一名实验物理学家,他和同事完成了模拟高能物理实验的概念证明。他们模拟实验是能量转变为物质,产生一个电子和一个正电子(电子的反粒子)。

    该团队使用了一个经过测试检验可行的量子计算机来进行模拟,在这个机器中,电磁场将真空中的四个离子约束成排,其中每个离子编码一个量子比特。研究者通过激光束来操控这些离子的自旋(磁场取向),从而诱导离子实现逻辑运算,逻辑运算是任何计算机进行计算都需要的基本步骤。

    大约经过100个分别持续数毫秒的运算步骤后,研究团队用数码相机观察离子的状态。四个离子,每一个代表着一个位置,其中两个离子代表粒子,另外两个代表反粒子,离子的取向揭示了在该位置处是否产生了粒子或者反粒子。

    他们的量子计算证实了简化版量子电动力学(描述电磁相互作用力的理论)的预言结果。“场越强,我们就能越快地创造粒子和反粒子,”马丁内斯说。他和合作者在《自然》杂志6月刊上的一篇文章中描述了实验结果。

    四个量子比特仅构成一个原始量子计算机,而对于未来的量子计算机,要实现对大素数分解等这种传说中的应用,将需要上百个量子比特以及复杂的纠错码。但是对于能够容许小幅误差的物理模拟来说,30至40个量子比特就已经足够了,马丁内斯说道。

    约翰·基亚韦里尼(John Chiaverini)是麻省理工学院的研究量子计算的物理学家,他表示如果没有重大的改进,这种模拟实验可能会难于扩展,阱中离子的线性排列“对解决规模较大的问题尤其是个限制”。而穆希克的团队已经在计划利用排列为二维构型的离子来进行模拟实验了。

    我们能解答了吗?

    “到目前为止,对于经典计算机不能处理的问题,我们还是无法解答,”马丁内斯说,“但是这是走向解答的第一步。”对于理解电磁力,量子计算机并非必要。然而研究者还是期望提高技术,从而能够模拟强相互作用力。穆希克表示这可能要花费很多年,不仅需要硬件上的突破,而且需要发展新的量子算法。

    扩展的量子计算机有助于我们了解两个原子核高速碰撞时所发生的事情。面对这样的碰撞问题时,经典计算机上运行的模拟就会崩溃,理论物理学家安德烈亚斯·克龙费尔德(Andreas Kronfeld)说道。他正在美国费米国家加速器实验室(Fermilab)进行强核力模拟工作。

    此外,扩展的量子计算机也有助于我们了解中子星。研究者认为这些致密天体是由密集压缩在一起的中子组成,但是他们对此并不确定,而且他们也不清楚那些中子是以何种物态存在的。

    撰文:达维德·卡斯泰尔韦基(Davide Castelvecchi)

    翻译:王微晓

    审校:韩晶晶

    原文链接:

    https://www.nature.com/news/quantum-computer-makes-first-high-energy-physics-simulation-1.20136

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