物理學家首次在量子計算機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。如果實驗團隊能夠擴大量子計算機的規(guī)模，就有可能處理對于普通計算機來說處過于復雜的計算。

　　為了準確理解理論的預言，物理學家一般會做計算機模擬。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言。對于涉及強核力的現(xiàn)象更是如此，而強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的理論物理學家、模擬團隊成員克里斯蒂娜·穆?？?Christine Muschik)說。

　　許多研究者期望未來的量子計算機可 以幫助解決這一問題。量子計算機仍處于研發(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)成的計算機可以同時進行多個計算，在完成某些任務(wù)時要比普通計算機快得 多。

　　巧妙運用量子比特

　　埃斯特班·馬丁內(nèi)斯(Esteban Martinez)是因斯布魯克大學的一名實驗物理學家，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)。

　　該團隊使用了一個經(jīng)過測試檢驗可行的量子計算機來進行模擬，在這個機器中，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)，從而誘導離子實現(xiàn)邏輯運算，邏輯運算是任何計算機進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，研究團隊用數(shù)碼相機觀察離子的狀態(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(描述電磁相互作用力的理論)的預言結(jié)果。“場越強，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，而對于未來的量子計算機，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)是麻省理工學院的研究量子計算的物理學家，他表示如果沒有重大的改進，這種模擬實驗可能會難于擴展，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”。而穆希克的團隊已經(jīng)在計劃利用排列為二維構(gòu)型的離子來進行模擬實驗了。

　　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?！睂τ诶斫?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/電磁力" title="電磁力" target="_blank">電磁力，量子計算機并非必要。然而研究者還是期望提高技術(shù)，從而能夠模擬強相互作用力。穆?？吮硎具@ 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。

　　擴展的量子計算機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)典計算機上運行的模擬就會崩潰，理論物理學家安德烈亞斯·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)進行強核力模擬工作。

　　此外，擴展的量子計算機也有助于我們了解中子星。研究者認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。