物理學家首次在量子計算機上完成了高能物理實驗的完整模擬——粒子和反粒子對的產生。如果該團隊能夠擴大規模，這項技術有望進行普通計算機難以處理的複雜計算。
為了準確理解他們的理論預測，物理學家們經常進行計算機模擬。然後，他們將模擬結果與實際實驗資料進行比較，以檢驗他們的理論。
然而，在某些情況下，計算過於困難，無法從第一性原理進行預測。奧地利因斯布魯克大學的理論物理學家、模擬團隊成員 Christine Muschik 說，對於涉及強核力的現象尤其如此，強核力支配著夸克如何結合成質子和中子，以及這些粒子如何形成原子核。
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許多研究人員希望未來的量子計算機將有助於解決這個問題。這些機器仍處於早期開發階段，它們利用物體可以同時處於多種狀態的物理特性，將資訊編碼在“量子位元”中，而不是經典位元的開/關狀態。由少量量子位元組成的計算機可以同時執行許多計算，並且可以比普通計算機更快地完成某些任務，速度呈指數級增長。
操控量子位元
因斯布魯克大學的實驗物理學家 Esteban Martinez 和他的同事們完成了一個概念驗證，模擬了一個高能物理實驗，其中能量轉化為物質，產生了一個電子和它的反粒子——正電子。
該團隊使用了一種經過驗證的量子計算機，其中電磁場將四個離子排成一列，每個離子在一個真空中編碼一個量子位元。他們使用雷射束操縱離子的自旋——它們的磁取向。這引導離子執行邏輯運算，這是任何計算機計算的基本步驟。
在大約 100 個步驟的序列之後，每個步驟持續幾毫秒，該團隊使用數碼相機觀察了離子的狀態。四個離子中的每一個代表一個位置，兩個用於粒子，兩個用於反粒子，離子的取向揭示了在該位置是否產生了粒子或反粒子。
該團隊的量子計算證實了量子電動力學簡化版本的預測，量子電動力學是電磁力的既定理論。“場越強，我們就能越快地產生粒子和反粒子，”Martinez 說。他和他的合作者在 6 月 22 日的《自然》雜誌上描述了他們的成果1。
四個量子位元構成了一臺簡陋的量子計算機；未來量子計算機的傳說中的應用，例如將龐大的數字分解為質因數，將需要數百個量子位元和複雜的糾錯碼。但 Martinez 說，對於可以容忍小誤差範圍的物理模擬來說，30 到 40 個量子位元可能已經很有用了。
馬薩諸塞州理工學院劍橋分校從事量子計算的物理學家 John Chiaverini 表示，如果不進行重大修改，該實驗可能難以擴大規模。他說，阱中離子的線性排列“特別限制瞭解決合理規模的問題”。Muschik 說，她的團隊已經在計劃使用離子的二維配置。
我們到了嗎？
“我們還沒有達到可以用經典計算機無法回答的問題的程度，”Martinez 說，“但這朝著這個方向邁出的第一步。”量子計算機對於理解電磁力並非絕對必要。然而，研究人員希望擴大他們的技術規模，以便他們能夠模擬強核力。Muschik 說，這可能需要數年時間，不僅需要硬體方面的突破，還需要開發新的量子演算法。
例如，這些擴大規模的量子計算機可能有助於理解兩個原子核高速碰撞期間發生的情況。伊利諾伊州芝加哥附近的費米國家加速器實驗室 (Fermilab) 從事強核力模擬的理論物理學家 Andreas Kronfeld 說，面對這樣的問題，經典計算機模擬就會崩潰。
他說，另一個例子是理解中子星。研究人員認為這些緻密的天體物體由密集的中子組成，但他們不確定。他們也不知道這些中子存在的物質狀態。
本文經許可轉載，並於2016 年 6 月 22 日首次發表。