摘要：研究基本粒子及其相互作用对于我们理解宇宙至关重要。因斯布鲁克大学和滑铁卢大学的团队展示了一种新型量子计算机如何打开粒子物理学世界的大门。粒子物理学的标准模型提供了迄今为止对构成我们世界的力和粒子的最佳描述。在这个模型中，所有过程都由遍布整个空间的相互作用场来描

模拟二维空间中粒子-反粒子对的形成© Harald Ritsch

研究基本粒子及其相互作用对于我们理解宇宙至关重要。因斯布鲁克大学和滑铁卢大学的团队展示了一种新型量子计算机如何打开粒子物理学世界的大门。粒子物理学

的标准模型提供了迄今为止对构成我们世界的力和粒子的最佳描述。在这个模型中，所有过程都由遍布整个空间的相互作用场来描述。这被称为量子场论，其中量子力学粒子和力表现为场的激发。

这种场论的研究不仅依赖于粒子加速器，而且特别依赖于复杂的计算机模拟。然而，在许多情况下，必要的量子力学计算超出了我们最好的超级计算机的能力。结果，我们理解世界的重要基石仍然对我们关闭着。

由因斯布鲁克大学实验物理研究所的 Martin Ringbauer 和加拿大滑铁卢大学的 Christine Muschik 领导的团队在《自然物理学》杂志上报告了他们如何在新型量子计算机上成功地在两个空间方向上再现完整的量子场论。

量子电动力学可能是与我们的日常生活最相关的场论。它描述了电磁现象，从电和光到将物质结合在一起的力。然而，这种理论的计算机模拟面临的主要挑战是电场的量子力学表示。场可以呈现不同的强度和方向，因此不能简单地转换成我们计算机的逐位表示。

然而，基于存储离子的量子计算机也不受二进制操作的约束。这种基于量子位而不是量子比特的量子计算机为粒子物理学中的计算提供了理想的条件。“我们的方法能够自然地表示自然界中出现的场，”该研究的第一作者迈克尔·梅斯说。“这大大简化了问题。”研究人员现在已经能够在实验中观察量子电动力学的基本过程。

2016 年，粒子-反粒子对的形成已在因斯布鲁克得到证实。“当时，我们在一维空间中工作，无需明确模拟场，”Christine Muschik 解释道。现在，该团队正在展示第一个二维空间模拟。“除了粒子对的形成，我们还看到磁场在形成，而在一维空间中没有这种现象，”Muschik 说。

这里介绍的量子电动力学研究仅仅是个开始。只需几个量子比特，不仅可以模拟三维空间，还可以深入到强相互作用的空间，其中粒子具有颜色并且只能成群出现。其原因和后果至今仍是个谜。“量子计算机为我们打开了一扇了解基本粒子世界的新窗口，”Martin Ringbauer 说。“通过 Qudit 方法，这些系统可以量身定制，用于研究粒子物理学中令人着迷的未解问题。”

这项研究得到了奥地利科学基金 FWF、联邦教育、科学和研究部、奥地利研究促进机构 FFG 和欧盟等机构的资助。

这项工作的解释视频： https://youtu.be/K5xxP06esxE

来源：人工智能学家