研究人员利用IBM的量子计算机构建出可扩展的量子电路，用以模拟极端条件下的物质状态，为理解基本作用力及宇宙起源提供了全新视角。

模拟物质在极端条件下的表现，对于探索宇宙中一些最为深邃的问题至关重要。粒子物理学的标准模型阐述了基本粒子如何相互作用，并提供了助力科学家解释这些自然现象的方程。

然而，当系统变得高度动态或达到极其密集的状态时，即便运用最先进的经典超级计算机，标准模型的方程也几乎无法求解。量子计算或许能提供一种强大而新颖的途径，以更高的效率对这些复杂系统进行建模。

量子模拟领域面临的最大挑战之一，便是在量子计算机的量子比特上制备出正确的物质初始态。如今，科学家取得了一项重大突破，他们开发出了可扩展的量子电路，能够生成与粒子加速器中产生的粒子碰撞起始状态相似的状态。这项研究聚焦于标准模型中所描述的强相互作用，正是这种相互作用支配着原子核内夸克和胶子的行为。

研究团队首先运用经典计算机，为小规模系统设计并测试了这些电路。随后，他们利用电路的可扩展架构，将这一方法拓展至直接在量子计算机上模拟的更大规模系统。借助IBM的量子处理器，研究人员成功在超过100个量子比特上模拟了核物理的关键特性，这标志着实用化量子模拟迈出了重要一步。

通往复杂量子模拟之路

这些可扩展的量子算法为攻克物理学中一些最为复杂的问题提供了颇具前景的路径。它们可用于模拟粒子碰撞前的真空态，研究极高密度下的物质，还能模拟强子束。科学家们预计，随着这些方法不断发展，基于可扩展电路的量子模拟最终将超越经典计算，为揭示物质和宇宙的基本运行机制提供全新见解。

这些模拟将让我们深入洞察支配基本粒子与宇宙运行规律的内在机制。它们或许能解答为何物质多于反物质、超新星如何孕育重元素，以及超高密度下物质的特性等根本问题。此外，这些量子线路还可助力模拟其他复杂系统，包括奇异材料等前沿领域。

核物理学家利用IBM的量子计算机开展了迄今为止规模最大的数字量子模拟。物理系统长度尺度中的对称性与层级结构，助力发现了在量子计算机上制备具有局部关联态的可扩展量子电路。研究人员通过在一维空间中制备量子电动力学真空态和强子态，证明了该算法的实用性。

扩大量子模拟规模

研究团队利用经典计算机对小规模系统进行模拟，以确定可扩展的量子电路元件，并证明这些状态可进行系统性优化。随后，研究人员将电路扩展至超过100个量子位的系统规模，并在IBM的量子计算机上实现了这些电路。该团队利用量子计算机得出的结果，以百分之一级的精度测定了真空的各项特性。

此外，他们利用可扩展电路制备强子脉冲，并通过时间演化观察其传播情况。这些进展为最终在极端条件下对物质进行动力学模拟提供了一条颇具前景的路径，而此类模拟仅靠经典计算能力是无法实现的。

参考文献：

罗兰·C·法雷尔（Roland C. Farrell）、马克·伊拉（Marc Illa）、安东尼·N·恰瓦雷拉（Anthony N. Ciavarella）与马丁·J·萨维奇（Martin J. Savage）于2024年4月18日发表于《PRX Quantum》的论文《数字量子计算机上制备基态的可扩展电路：100量子比特上的施温格模型真空态》 DOI：10.1103/PRXQuantum.5.020315

罗兰·C·法雷尔（Roland C. Farrell）、马克·伊拉（Marc Illa）、安东尼·N·恰瓦雷拉（Anthony N. Ciavarella）与马丁·J·萨维奇（Martin J. Savage）于2024年6月10日发表于《物理评论D》（Physical Review D）的论文《运用112个量子比特在施温格模型中对强子动力学的量子模拟》 DOI：10.1103/PhysRevD.109.114510

本研究部分得到了能源部（DOE）科学办公室核物理办公室下属的量子模拟探索中心（InQubator for Quantum Simulation，简称IQuS）通过“量子前沿：核科学量子信息科学研究与创新计划”提供的资助；同时，也得到了能源部与华盛顿大学共建的国家量子信息科学研究中心——量子科学中心（Quantum Science Center，简称QSC）的支持。本研究使用了能源部科学办公室用户设施——橡树岭领导计算设施的资源。此外，本研究部分得益于使用了华盛顿大学Hyak超级计算机系统所提供的高级计算、存储及网络基础设施。研究人员对IBM量子服务在本研究中的应用表示认可。