物理學(xué)家首次在量子計(jì)算機(jī)上完整模擬了一次高能物理實(shí)驗(yàn)，重現(xiàn)了粒子和反粒子對(duì)的產(chǎn)生。如果實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)能夠擴(kuò)大量子計(jì)算機(jī)的規(guī)模，就有可能處理對(duì)于普通計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)處過(guò)于復(fù)雜的計(jì)算。

　　為了準(zhǔn)確理解理論的預(yù)言，物理學(xué)家一般會(huì)做計(jì)算機(jī)模擬。然后對(duì)比模擬的結(jié)果和真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)檢驗(yàn)理論。

　　然而在某些情況下計(jì)算過(guò)于困難，無(wú)法通過(guò)第一性原理做出預(yù)言。對(duì)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(duì)成員克里斯蒂娜·穆?？?Christine Muschik)說(shuō)。

　　許多研究者期望未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)可 以幫助解決這一問(wèn)題。量子計(jì)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(shí)處于多個(gè)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(kāi)啟或關(guān)閉兩種狀態(tài)的經(jīng)典比特。一臺(tái)由量子比特構(gòu)成的計(jì)算機(jī)可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)計(jì)算，在完成某些任務(wù)時(shí)要比普通計(jì)算機(jī)快得 多。

　　巧妙運(yùn)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(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，他和同事完成了模擬高能物理實(shí)驗(yàn)的概念證明。他們模擬實(shí)驗(yàn)是能量轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)，產(chǎn)生一個(gè)電子和一個(gè)正電子(電子的反粒子)。

　　該團(tuán)隊(duì)使用了一個(gè)經(jīng)過(guò)測(cè)試檢驗(yàn)可行的量子計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行模擬，在這個(gè)機(jī)器中，電磁場(chǎng)將真空中的四個(gè)離子約束成排，其中每個(gè)離子編碼一個(gè)量子比特。 研究者通 過(guò)激光束來(lái)操控這些離子的自旋(磁場(chǎng)取向)，從而誘導(dǎo)離子實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，邏輯運(yùn)算是任何計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算都需要的基本步驟。

　　大約經(jīng)過(guò)100個(gè)分別持續(xù)數(shù)毫秒的運(yùn)算步驟后，研究團(tuán)隊(duì)用數(shù)碼相機(jī)觀察離子的狀態(tài)。四個(gè)離子，每一個(gè)代表著一個(gè)位置，其中兩個(gè)離子代表粒子，另外兩個(gè)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(jì)算證實(shí)了簡(jiǎn)化版量子電動(dòng)力學(xué)(描述電磁相互作用力的理論)的預(yù)言結(jié)果。“場(chǎng)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(shuō)。他和合作者在《自然》雜志6月刊上的一篇文章中描述了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　四個(gè)量子比特僅構(gòu)成一個(gè)原始量子計(jì)算機(jī)，而對(duì)于未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)，要實(shí)現(xiàn)對(duì)大素?cái)?shù)分解等這種傳說(shuō)中的應(yīng)用，將需要上百個(gè)量子比特以及復(fù)雜的糾錯(cuò)碼。但是對(duì)于能夠容許小幅誤差的物理模擬來(lái)說(shuō)，30至40個(gè)量子比特就已經(jīng)足夠了，馬丁內(nèi)斯說(shuō)道。

　　約翰·基亞韋里尼(John Chiaverini)是麻省理工學(xué)院的研究量子計(jì)算的物理學(xué)家，他表示如果沒(méi)有重大的改進(jìn)，這種模擬實(shí)驗(yàn)可能會(huì)難于擴(kuò)展，阱中離子的線性排列“對(duì)解決規(guī) 模較大的問(wèn)題尤其是個(gè)限制”。而穆希克的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在計(jì)劃利用排列為二維構(gòu)型的離子來(lái)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)了。

　　我們能解答了嗎?

　　“到目前為止，對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)不能處理的問(wèn)題，我們還是無(wú)法解答，” 馬丁內(nèi)斯說(shuō)，“但是這是走向解答的第一步?！睂?duì)于理解電磁力，量子計(jì)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(fèi)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(jì)算機(jī)有助于我們了解兩個(gè)原子核高速碰撞時(shí)所發(fā)生的 事情。面對(duì)這樣的碰撞問(wèn)題時(shí)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的模擬就會(huì)崩潰，理論物理學(xué)家安德烈亞斯·克龍費(fèi)爾德(Andreas Kronfeld)說(shuō)道。他正在美國(guó)費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室(Fermilab)進(jìn)行強(qiáng)核力模擬工作。

　　此外，擴(kuò)展的量子計(jì)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(duì)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。