物理学家使用尖端量子计算机模拟了二维复杂粒子理论。

与基于传统二进制的系统不同，该机器使用量子比特（qudits，可处理更多值的单位）来自然表示量子场。这一飞跃标志着在解决物理学中一些重大问题方面迈出了重要一步。

多维量子模拟的突破

粒子物理学的标准模型是解释构成我们宇宙的基本粒子和基本力的主流理论。它将粒子及其对应的反粒子（如电子和正电子）描述为量子场，这些量子场通过力场（如使带电粒子聚合在一起的电磁场）相互作用。

为了更好地理解这些量子场的表现——以及由此推及的宇宙运作方式——科学家们依赖于基于量子场论的复杂计算机模拟。然而，即使是功能最强大的超级计算机，也往往难以满足这些模拟的苛刻要求，对于量子计算机来说，这些模拟同样极具挑战性。因此，物理学中的许多关键问题仍悬而未决。

如今，研究人员已向前迈出了一大步。据《自然·物理》杂志3月25日报道，由因斯布鲁克大学（University of Innsbruck）马丁·林格鲍尔（Martin Ringbauer）领导的一个实验小组与滑铁卢大学量子计算研究所（Institute for Quantum Computing，IQC）克里斯蒂娜·穆斯基克（Christine Muschik）领导的一个理论小组，利用一种新型量子计算机，成功模拟了一个多维空间中的完整量子场理论。

为何量子场难以模拟

量子计算机模拟量子场理论具有挑战性的关键在于需要捕获代表粒子间作用力的场，例如带电粒子间的电磁力。这些场可以指向不同方向，并具有不同强度或激发程度。这些对象无法完全契合基于0和1的传统二进制计算范式，而该范式是当今经典计算机和量子计算机的基础。

基于Qudit的计算：更契合的选择

此次取得新进展得益于因斯布鲁克研发的qudit量子计算机与水卢研发的模拟基本粒子相互作用的qudit算法的结合。该方法基于每个量子信息载体使用最多五个值（而非仅使用零和一）来高效地存储和处理信息。这种量子计算机非常适合应对在粒子物理计算中表示复杂量子场的挑战。

“我们的方法能够对量子场进行自然表征，这使得计算效率大大提高，”该研究的主要作者迈克尔·梅斯（Michael Meth）解释道。这使得研究团队能够观察到二维空间中量子电动力学的基本特征。

向更高维度和磁场的扩展

早在2016年，因斯布鲁克就已证实能够创建正反粒子对。克莉丝汀·马斯奇克（Christine Muschik）表示：“在那次论证中，我们通过限制粒子只能沿一条直线运动简化了问题。解除这一限制是使用量子计算机理解基本粒子相互作用的关键一步。”

现在，这些团队已经实现了二维空间中的首次量子模拟。马丁·林鲍尔解释道：“除了粒子的行为，我们现在还能观察到它们之间的磁场，而这种磁场只有在粒子不局限于在一条直线上运动时才会存在，这让我们距离研究自然界又近了一步。”

致力于解开宇宙更深层次的奥秘

关于量子电动力学的新研究才刚刚开始。只需再多几个量子比特，当前的研究成果就不仅能扩展到三维模型，还能扩展到使原子凝聚在一起的强核力，其中包含着物理学中许多尚待解开的谜团。“我们对量子计算机能够解答这些引人入胜的问题感到兴奋不已，”林格鲍尔热情地说道。

参考文献：“在夸比特量子计算机上模拟二维格点规范理论”，作者：迈克尔·梅斯、张景雷、扬·F·哈泽、克莱尔·埃德蒙兹、卢卡斯·波斯特勒、安德鲁·J·杰纳、亚历克斯·斯坦纳、卢卡·德兰托尼奥、莱纳·布拉特、彼得·佐勒、托马斯·蒙茨、菲利普·辛德勒、克里斯蒂娜·穆斯基奇和马丁·林格鲍尔，2025年3月25日，《自然·物理》杂志。DOI：10.1038/s41567-025-02797-w

本研究得到了奥地利科学基金（FWF）、奥地利联邦教育、科学与研究部、奥地利研究促进署（FFG）、欧盟和加拿大卓越研究基金的资金支持。