粒子物理学问题常常使传统计算机束手无策,而量子计算机则有望解决这类棘手的问题。
图片来源:ALFRED PASIEKA/SCIENCE PHOTO LIBRARY/Getty Images
近日,物理学家首次在量子计算机上实现了对高能物理实验的完整模拟。若这项技术实现规模化,则很多传统计算机无法处理的复杂问题都有望得以解决。
在研究理论预测的过程中,研究人员常常会进行计算机模拟,通过模拟结果与真实实验数据的对比,验证其理论的正确性。然而,基于第一性原理的预测有时会需要非常复杂的计算过程,难以实现。奥地利因斯布鲁克大学(Univerisity of Innsbruck)的物理学家Christine Muschik是此次量子模拟研究团队中的一员,他表示,在研究强核力作用时,计算过程尤为复杂,而强核力是夸克相互作用形成质子和中子、质子与中子形成原子核的控制因素。
许多学者寄希望于未来的量子计算机能够解决这一问题。目前,量子计算机仍处于发展的最初阶段。与传统计算机通过开态与关态实现的二进制比特相比,量子计算机利用物体能瞬间处于多种状态的物理学特性,用量子比特进行信息编码,一次运算可以处理多种不同状态,因而其运算速度相对于传统计算机也就能实现大幅度增长。
操控量子比特
因斯布鲁克大学的实验物理学家Esteban Martinez和他的同事验证了模拟高能物理实验的可行性,在该实验中,研究人员将能量转化为物质,制造出了一个电子及其反粒子——一个正电子。
该研究团队采用了经反复测试与检验的一类量子计算机,在这类量子计算机里,真空中的电磁场使四个离子排成一行,每个离子编码为一个量子比特。研究人员通过激光束来操纵各个离子的自旋,改变其磁取向,从而使离子执行逻辑运算,实现计算机运算的基础。该运算过程每步耗时几毫秒,经过数百步的运算后,研究人员用数码相机观察了离子的状态,发现四个离子各代表一个位置,其中两个代表粒子位置、两个代表反粒子位置,同时,从离子的取向可以看出该位置有无产生粒子或反粒子。
该研究团队的量子计算结果证实了简化版量子电动力学的预测。Martinez和他的合作者于6月22日在《自然》(Nature)上介绍了他们的研究成果,Martinez说:“电磁场越强,我们制造粒子与反粒子的速度也越快。”
四个量子比特构成的量子计算机仍非常简单,未来的应用将需要几百个量子比特以及复杂的纠错代码。不过Martinez指出,物理学模拟可以允许小的误差限度,30到40量子比特就有望实现应用了。
麻省理工大学(Massachusetts Institute of Technology)从事量子计算的物理学家John Chiaverini认为,该实验在现有基础上很难实现规模化,必须进行重大改进才行,而要求离子在电磁场中线性排布正是实现其规模化的最大限制条件。Muschik表示,她所带领的团队正在计划研究如何使用二维排布离子来实现这一量子计算。
我们成功了吗?
Martinez说:“目前,量子计算机还无法用于解决那些用传统计算机无法处理的问题,但我们已经迈出了第一步。”从严格意义上来讲,理解电磁力并非一定要靠量子计算机,而学者们主要寄希望于规模化后的量子计算机实现对强核力的模拟。Muschik说,这可能需要花费很多年,不但要求在硬件上有所突破,而且还要求研究人员开发出新的量子算法。
费米国家加速器实验室的理论物理学家Andreas Kronfeld致力于研究强核力的模拟,他认为,量子计算机实现规模化后,将有助于科学家理解高速原子核的碰撞过程,而传统计算机在面对这类问题时,一下子就崩溃了。
Kronfeld又另外举例说,规模化的量子计算机还能够用于研究中子星。学者们通常认为这些致密的天体是由紧密堆积的中子组成的,但这种观点并未得到证实。此外,学者们也尚未研究清楚这些中子是以何种物质状态存在的。
翻译:王舟
审校:赵昌昊
原文链接:http://www.scientificamerican.co ... igh-energy-physics/
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