物理學(xué)家首次在量子計算機(jī)上完整模擬了一次高能物理實驗，重現(xiàn)了粒子和反粒子對的產(chǎn)生。如果實驗團(tuán)隊能夠擴(kuò)大量子計算機(jī)的規(guī)模，就有可能處理對于普通計算機(jī)來說處過于復(fù)雜的計算。
為了準(zhǔn)確理解理論的預(yù)言，物理學(xué)家一般會做計算機(jī)模擬。然后對比模擬的結(jié)果和真實的實驗數(shù)據(jù)來檢驗理論。
然而在某些情況下計算過于困難，無法通過第一性原理做出預(yù)言。對于涉及強(qiáng)核力的現(xiàn)象更是如此，而強(qiáng)核力決定夸克如何約束在一起成為質(zhì)子和中子， 以及這些 粒子如何形成原子核，奧地利因斯布魯克大學(xué)的理論物理學(xué)家、模擬團(tuán)隊成員克里斯蒂娜·穆希克(Christine Muschik)說。
許多研究者期望未來的量子計算機(jī)可 以幫助解決這一問題。量子計算機(jī)仍處于研發(fā)的最初的階段，它們可以利用物體能夠同時處于多個狀態(tài)的的物理特性，將信息 編碼在“量子比特”里，而不是只有開啟或關(guān)閉兩種狀態(tài)的經(jīng)典比特。一臺由量子比特構(gòu)成的計算機(jī)可以同時進(jìn)行多個計算，在完成某些任務(wù)時要比普通計算機(jī)快得 多。
巧妙運用量子比特
埃斯特班·馬丁內(nèi)斯(Esteban Martinez)是因斯布魯克大學(xué)的一名實驗物理學(xué)家，他和同事完成了模擬高能物理實驗的概念證明。他們模擬實驗是能量轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)，產(chǎn)生一個電子和一個正電子(電子的反粒子)。
該團(tuán)隊使用了一個經(jīng)過測試檢驗可行的量子計算機(jī)來進(jìn)行模擬，在這個機(jī)器中，電磁場將真空中的四個離子約束成排，其中每個離子編碼一個量子比特。 研究者通 過激光束來操控這些離子的自旋(磁場取向)，從而誘導(dǎo)離子實現(xiàn)邏輯運算，邏輯運算是任何計算機(jī)進(jìn)行計算都需要的基本步驟。
大約經(jīng)過100個分別持續(xù)數(shù)毫秒的運算步驟后，研究團(tuán)隊用數(shù)碼相機(jī)觀察離子的狀態(tài)。四個離子，每一個代表著一個位置，其中兩個離子代表粒子，另外兩個代表反粒子，離子的取向揭示了在該位置處是否產(chǎn)生了粒子或者反粒子。
他們的量子計算證實了簡化版量子電動力學(xué)(描述電磁相互作用力的理論)的預(yù)言結(jié)果。“場越強(qiáng)，我們就能越快地創(chuàng)造粒子和反粒子，”馬丁內(nèi)斯說。他和合作者在《自然》雜志6月刊上的一篇文章中描述了實驗結(jié)果。
四個量子比特僅構(gòu)成一個原始量子計算機(jī)，而對于未來的量子計算機(jī)，要實現(xiàn)對大素數(shù)分解等這種傳說中的應(yīng)用，將需要上百個量子比特以及復(fù)雜的糾錯碼。但是對于能夠容許小幅誤差的物理模擬來說，30至40個量子比特就已經(jīng)足夠了，馬丁內(nèi)斯說道。
約翰·基亞韋里尼(John Chiaverini)是麻省理工學(xué)院的研究量子計算的物理學(xué)家，他表示如果沒有重大的改進(jìn)，這種模擬實驗可能會難于擴(kuò)展，阱中離子的線性排列“對解決規(guī) 模較大的問題尤其是個限制”。而穆希克的團(tuán)隊已經(jīng)在計劃利用排列為二維構(gòu)型的離子來進(jìn)行模擬實驗了。
我們能解答了嗎?
“到目前為止，對于經(jīng)典計算機(jī)不能處理的問題，我們還是無法解答，” 馬丁內(nèi)斯說，“但是這是走向解答的第一步。”對于理解電磁力，量子計算機(jī)并非必要。然而研究者還是期望提高技術(shù)，從而能夠模擬強(qiáng)相互作用力。穆希克表示這 可能要花費很多年，不僅需要硬件上的突破，而且需要發(fā)展新的量子算法。
擴(kuò)展的量子計算機(jī)有助于我們了解兩個原子核高速碰撞時所發(fā)生的 事情。面對這樣的碰撞問題時，經(jīng)典計算機(jī)上運行的模擬就會崩潰，理論物理學(xué)家安德烈亞斯·克龍費爾德(Andreas Kronfeld)說道。他正在美國費米國家加速器實驗室(Fermilab)進(jìn)行強(qiáng)核力模擬工作。
此外，擴(kuò)展的量子計算機(jī)也有助于我們了解中子星。研究者認(rèn)為這些致密天體是由密集壓縮在一起的中子組成，但是他們對此并不確定，而且他們也不清楚那些中子是以何種物態(tài)存在的。