研究人員首次在量子計算機上模擬重子 離更復雜量子模擬更進一步

北京時間11月19日消息（余予）近年來，量子計算技術發(fā)展迅速，從化學到自然的基本相互作用，應用范圍廣泛。量子計算機有可能為正在進行的規(guī)范理論基礎研究創(chuàng)造重要的新機會，為其提供在經典計算機上無法實現的模擬。

由量子計算研究所 (IQC)領導的研究小組在量子計算機上首次模擬了重子（基本量子粒子）。該成果以"SU(2) hadrons on a quantum computer via a variational approach"為題于近日在《nature communications》上發(fā)表。憑借他們的成果，該團隊朝著更復雜的量子模擬更進一步，同時這將使科學家能夠研究中子星，了解更多關于宇宙最早時刻的信息，并實現量子計算機的革命性潛力。

“這是向前邁出的重要一步——這是有史以來首次在量子計算機上模擬重子，”IQC教員Christine Muschik表示，“并非是在加速器中粉碎粒子，量子計算機有朝一日可以讓我們模擬這些相互作用，用來研究宇宙的起源等等。”

Christine Muschik還是滑鐵盧大學的物理學和天文學教授以及圓周研究所的副教授，他領導量子相互作用小組，研究晶格規(guī)范理論的量子模擬。它在物理學的許多分支中發(fā)揮著重要作用，是對現實物理學的描述，包括粒子物理學的標準模型。規(guī)范理論對場、力、粒子、空間維度和其他參數越多，它就越復雜，經典超級計算機也就越難建模。

其中非阿貝爾規(guī)范理論是特別有趣的模擬對象，因為它們負責我們所知道的物質的穩(wěn)定性。經典計算機可以模擬這些理論中描述的非阿貝爾物質，但也有一些特殊的情況，例如高密度物質，是普通計算機無法模擬的。雖然描述和模擬非阿貝爾物質的能力是描述我們宇宙的基礎，但從沒有任何物質在量子計算機上被模擬過。

在非阿貝爾規(guī)范理論方面，最突出是量子色動力學 (QCD)，它是一種非阿貝爾規(guī)范理論，它描述組成強作用粒子(強子)的夸克和與色量子數相聯(lián)系的規(guī)范場的相互作用，可以統(tǒng)一地描述強子的結構和它們之間的強相互作用，被認為是有希望的強作用基本理論。

格點規(guī)范理論 (LGT) 是一種成熟且成功的離散化策略，適用于已發(fā)展成為極其成功的科學領域的計算方法。

研究過程中，研究小組在量子計算機上用動態(tài)耦合物質變分地準備了非阿貝爾規(guī)范理論的低本征態(tài)。這使得可以觀察強子(粒子物理學中的概念)并計算它們的相關質量。

同時，Muschik與來自約克大學的Randy Lewis合作，在IQC的團隊開發(fā)了一種混合資源高效的量子算法，使他們能夠在IBM的云量子計算機與經典計算機配對情況下，用簡單非阿貝爾規(guī)范理論模擬系統(tǒng)。

通過這一具有里程碑意義的一步，研究人員不僅可以在當今量子硬件上研究具有動態(tài)物質場的 SU(2) 規(guī)范理論，并能夠開辟一條通往規(guī)范理論量子模擬的道路，這將解決粒子和核物理學中目前尚未解決的問題。其能力和資源遠遠超出了世界上最強大的超級計算機的能力和資源。

除此之外，該成果為擴展研究其他強子、擴展SU（3）范式等一系列重要的后續(xù)步驟都奠定了基礎。

歸根結底，LGT計算對于研究非阿貝爾規(guī)范理論是必不可少的，而量子計算等戲劇性的新突破有可能極大地擴展數值可訪問性的范圍。對完整的非阿貝爾基準模型的計算，包括規(guī)范場和物質場，代表了重要的第一步，并為非阿貝爾LGT的量子計算開辟了道路。

“對我們來說，這些結果令人興奮的是，該理論可以變得更加復雜，”IQC和滑鐵盧大學物理與天文系博士后張靜蕾表示，“我們可以考慮模擬更高密度的物質，這超出了經典計算機的能力。”

隨著科學家們開發(fā)出更強大的量子計算機和量子算法，他們將能夠模擬這些更復雜的非阿貝爾規(guī)范理論的物理學，并研究我們最好的超級計算機無法企及的迷人現象。

這一突破性的演示是邁向基于量子模擬理解宇宙的新時代的重要一步。

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