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2021/11/19 14:05

研究人员首次在量子计算机上模拟重子 离更复杂量子模拟更进一步

C114通信网  余予

C114讯 北京时间11月19日消息(余予)近年来,量子计算技术发展迅速,从化学到自然的基本相互作用,应用范围广泛。量子计算机有可能为正在进行的规范理论基础研究创造重要的新机会,为其提供在经典计算机上无法实现的模拟。

由量子计算研究所 (IQC)领导的研究小组在量子计算机上首次模拟了重子(基本量子粒子)。该成果以"SU(2) hadrons on a quantum computer via a variational approach"为题于近日在《nature communications》上发表。凭借他们的成果,该团队朝着更复杂的量子模拟更进一步,同时这将使科学家能够研究中子星,了解更多关于宇宙最早时刻的信息,并实现量子计算机的革命性潜力。

“这是向前迈出的重要一步——这是有史以来首次在量子计算机上模拟重子,”IQC教员Christine Muschik表示,“并非是在加速器中粉碎粒子,量子计算机有朝一日可以让我们模拟这些相互作用,用来研究宇宙的起源等等。”

Christine Muschik还是滑铁卢大学的物理学和天文学教授以及圆周研究所的副教授,他领导量子相互作用小组,研究晶格规范理论的量子模拟。它在物理学的许多分支中发挥着重要作用,是对现实物理学的描述,包括粒子物理学的标准模型。规范理论对场、力、粒子、空间维度和其他参数越多,它就越复杂,经典超级计算机也就越难建模。

其中非阿贝尔规范理论是特别有趣的模拟对象,因为它们负责我们所知道的物质的稳定性。经典计算机可以模拟这些理论中描述的非阿贝尔物质,但也有一些特殊的情况,例如高密度物质,是普通计算机无法模拟的。虽然描述和模拟非阿贝尔物质的能力是描述我们宇宙的基础,但从没有任何物质在量子计算机上被模拟过。

在非阿贝尔规范理论方面,最突出是量子色动力学 (QCD),它是一种非阿贝尔规范理论,它描述组成强作用粒子(强子)的夸克和与色量子数相联系的规范场的相互作用,可以统一地描述强子的结构和它们之间的强相互作用,被认为是有希望的强作用基本理论。

格点规范理论 (LGT) 是一种成熟且成功的离散化策略,适用于已发展成为极其成功的科学领域的计算方法。

研究过程中,研究小组在量子计算机上用动态耦合物质变分地准备了非阿贝尔规范理论的低本征态。这使得可以观察强子(粒子物理学中的概念)并计算它们的相关质量。

同时,Muschik与来自约克大学的Randy Lewis合作,在IQC的团队开发了一种混合资源高效的量子算法,使他们能够在IBM的云量子计算机与经典计算机配对情况下,用简单非阿贝尔规范理论模拟系统。

通过这一具有里程碑意义的一步,研究人员不仅可以在当今量子硬件上研究具有动态物质场的 SU(2) 规范理论,并能够开辟一条通往规范理论量子模拟的道路,这将解决粒子和核物理学中目前尚未解决的问题。其能力和资源远远超出了世界上最强大的超级计算机的能力和资源。

除此之外,该成果为扩展研究其他强子、扩展SU(3)范式等一系列重要的后续步骤都奠定了基础。

归根结底,LGT计算对于研究非阿贝尔规范理论是必不可少的,而量子计算等戏剧性的新突破有可能极大地扩展数值可访问性的范围。对完整的非阿贝尔基准模型的计算,包括规范场和物质场,代表了重要的第一步,并为非阿贝尔LGT的量子计算开辟了道路。

“对我们来说,这些结果令人兴奋的是,该理论可以变得更加复杂,”IQC和滑铁卢大学物理与天文系博士后张静蕾表示,“我们可以考虑模拟更高密度的物质,这超出了经典计算机的能力。”

随着科学家们开发出更强大的量子计算机和量子算法,他们将能够模拟这些更复杂的非阿贝尔规范理论的物理学,并研究我们最好的超级计算机无法企及的迷人现象。

这一突破性的演示是迈向基于量子模拟理解宇宙的新时代的重要一步。

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