物理学家首次在量子计算机上完成了高能物理实验的完整模拟——粒子和反粒子对的产生。如果该团队能够扩大规模，这项技术有望进行普通计算机难以处理的复杂计算。
为了准确理解他们的理论预测，物理学家们经常进行计算机模拟。然后，他们将模拟结果与实际实验数据进行比较，以检验他们的理论。
然而，在某些情况下，计算过于困难，无法从第一性原理进行预测。奥地利因斯布鲁克大学的理论物理学家、模拟团队成员 Christine Muschik 说，对于涉及强核力的现象尤其如此，强核力支配着夸克如何结合成质子和中子，以及这些粒子如何形成原子核。
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许多研究人员希望未来的量子计算机将有助于解决这个问题。这些机器仍处于早期开发阶段，它们利用物体可以同时处于多种状态的物理特性，将信息编码在“量子比特”中，而不是经典比特的开/关状态。由少量量子比特组成的计算机可以同时执行许多计算，并且可以比普通计算机更快地完成某些任务，速度呈指数级增长。
操控量子比特
因斯布鲁克大学的实验物理学家 Esteban Martinez 和他的同事们完成了一个概念验证，模拟了一个高能物理实验，其中能量转化为物质，产生了一个电子和它的反粒子——正电子。
该团队使用了一种经过验证的量子计算机，其中电磁场将四个离子排成一列，每个离子在一个真空中编码一个量子比特。他们使用激光束操纵离子的自旋——它们的磁取向。这引导离子执行逻辑运算，这是任何计算机计算的基本步骤。
在大约 100 个步骤的序列之后，每个步骤持续几毫秒，该团队使用数码相机观察了离子的状态。四个离子中的每一个代表一个位置，两个用于粒子，两个用于反粒子，离子的取向揭示了在该位置是否产生了粒子或反粒子。
该团队的量子计算证实了量子电动力学简化版本的预测，量子电动力学是电磁力的既定理论。“场越强，我们就能越快地产生粒子和反粒子，”Martinez 说。他和他的合作者在 6 月 22 日的《自然》杂志上描述了他们的成果1。
四个量子比特构成了一台简陋的量子计算机；未来量子计算机的传说中的应用，例如将庞大的数字分解为质因数，将需要数百个量子比特和复杂的纠错码。但 Martinez 说，对于可以容忍小误差范围的物理模拟来说，30 到 40 个量子比特可能已经很有用了。
马萨诸塞州理工学院剑桥分校从事量子计算的物理学家 John Chiaverini 表示，如果不进行重大修改，该实验可能难以扩大规模。他说，阱中离子的线性排列“特别限制了解决合理规模的问题”。Muschik 说，她的团队已经在计划使用离子的二维配置。
我们到了吗？
“我们还没有达到可以用经典计算机无法回答的问题的程度，”Martinez 说，“但这朝着这个方向迈出的第一步。”量子计算机对于理解电磁力并非绝对必要。然而，研究人员希望扩大他们的技术规模，以便他们能够模拟强核力。Muschik 说，这可能需要数年时间，不仅需要硬件方面的突破，还需要开发新的量子算法。
例如，这些扩大规模的量子计算机可能有助于理解两个原子核高速碰撞期间发生的情况。伊利诺伊州芝加哥附近的费米国家加速器实验室 (Fermilab) 从事强核力模拟的理论物理学家 Andreas Kronfeld 说，面对这样的问题，经典计算机模拟就会崩溃。
他说，另一个例子是理解中子星。研究人员认为这些致密的天体物体由密集的中子组成，但他们不确定。他们也不知道这些中子存在的物质状态。
本文经许可转载，并于2016 年 6 月 22 日首次发表。