对基本粒子和力的研究对我们理解宇宙具有核心重要性。现在，一组物理学家展示了一种非传统量子计算机如何为基本粒子世界开启新的大门。
粒子物理学的标准模型是我们对构成世界的基本粒子和力的最佳理论：粒子和反粒子，如电子和正电子，被描述为量子场。它们通过其他力场相互作用，例如将带电粒子结合在一起的电磁力。
为了理解这些量子场的行为，进而理解我们的宇宙，研究人员进行复杂的量子场理论计算机模拟。不幸的是，这些计算中的许多对于即使是我们最好的超级计算机来说也过于复杂，并且对量子计算机也提出巨大的挑战，使许多紧迫的问题无法得到解答。
使用新型量子计算机，马丁·林堡尔（Martin Ringbauer）在因斯布鲁克大学的实验团队和由克里斯汀·穆斯基克（Christine Muschik）领导的渥太华大学IQC理论组在《自然物理学》期刊上发表了一篇文章，报告他们成功模拟了二维以上的完整量子场理论。
量子场的自然表示
使量子场理论的模拟对量子计算机具有挑战性的关键在于需要捕捉代表粒子之间力的场，例如带电粒子之间的电磁力。这些场可以指向不同的方向，并具有不同的强度或激发程度。此类对象与基于零和一的传统二进制计算范式并不完全契合，而这是今天经典计算机和量子计算机的基础。
这一新进展得益于因斯布鲁克开发的qudit量子计算机和渥太华开发的模拟基本粒子相互作用的qudit算法的结合。这种方法基于每个量子信息载体使用多达五个值，而不仅仅是零和一，以高效存储和处理信息。这样的量子计算机非常适合表示粒子物理计算中复杂的量子场的挑战。“我们的方法使得量子场的自然表示成为可能，这使得计算效率更高，”研究的主要作者迈克尔·梅斯（Michael Meth）解释道。这使得团队能够观察到二维空间中量子电动力学的基本特征。
粒子物理学的巨大潜力
早在2016年，粒子-反粒子对的创造就已在因斯布鲁克得到证明。“在那次演示中，我们通过限制粒子沿直线运动来简化问题。消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步骤，”克里斯汀·穆斯基克说道。现在，团队们展示了二维空间中的首次量子模拟，“除了粒子的行为，我们现在也观察到它们之间的磁场，这仅在粒子不受限于直线运动时才能存在，带我们更接近研究自然的一个重要步骤，”马丁·林堡尔解释道。
关于量子电动力学的新工作仅仅是个开始。只需再增加几个qudit，就可以将当前的结果扩展到三维模型，以及强核力，它将原子结合在一起，并包含许多物理学仍未解开的谜团。“我们对量子计算机能够为研究这些迷人问题做出贡献感到兴奋，”林堡尔热情地说道。
这项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、奥地利研究促进局（FFG）、欧洲联盟以及加拿大首个研究卓越基金等的资助。
