北京時(shí)間11月19日消息（余予）近年來(lái)，量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展迅速，從化學(xué)到自然的基本相互作用，應(yīng)用范圍廣泛。量子計(jì)算機(jī)有可能為正在進(jìn)行的規(guī)范理論基礎(chǔ)研究創(chuàng)造重要的新機(jī)會(huì)，為其提供在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上無(wú)法實(shí)現(xiàn)的模擬。
由量子計(jì)算研究所 (IQC)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在量子計(jì)算機(jī)上首次模擬了重子（基本量子粒子）。該成果以"SU(2) hadrons on a quantum computer via a variational approach"為題于近日在《nature communications》上發(fā)表。憑借他們的成果，該團(tuán)隊(duì)朝著更復(fù)雜的量子模擬更進(jìn)一步，同時(shí)這將使科學(xué)家能夠研究中子星，了解更多關(guān)于宇宙最早時(shí)刻的信息，并實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的革命性潛力。
“這是向前邁出的重要一步——這是有史以來(lái)首次在量子計(jì)算機(jī)上模擬重子，”IQC教員Christine Muschik表示，“并非是在加速器中粉碎粒子，量子計(jì)算機(jī)有朝一日可以讓我們模擬這些相互作用，用來(lái)研究宇宙的起源等等。”
Christine Muschik還是滑鐵盧大學(xué)的物理學(xué)和天文學(xué)教授以及圓周研究所的副教授，他領(lǐng)導(dǎo)量子相互作用小組，研究晶格規(guī)范理論的量子模擬。它在物理學(xué)的許多分支中發(fā)揮著重要作用，是對(duì)現(xiàn)實(shí)物理學(xué)的描述，包括粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。規(guī)范理論對(duì)場(chǎng)、力、粒子、空間維度和其他參數(shù)越多，它就越復(fù)雜，經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)也就越難建模。
其中非阿貝爾規(guī)范理論是特別有趣的模擬對(duì)象，因?yàn)樗鼈冐?fù)責(zé)我們所知道的物質(zhì)的穩(wěn)定性。經(jīng)典計(jì)算機(jī)可以模擬這些理論中描述的非阿貝爾物質(zhì)，但也有一些特殊的情況，例如高密度物質(zhì)，是普通計(jì)算機(jī)無(wú)法模擬的。雖然描述和模擬非阿貝爾物質(zhì)的能力是描述我們宇宙的基礎(chǔ)，但從沒(méi)有任何物質(zhì)在量子計(jì)算機(jī)上被模擬過(guò)。
在非阿貝爾規(guī)范理論方面，最突出是量子色動(dòng)力學(xué) (QCD)，它是一種非阿貝爾規(guī)范理論，它描述組成強(qiáng)作用粒子(強(qiáng)子)的夸克和與色量子數(shù)相聯(lián)系的規(guī)范場(chǎng)的相互作用，可以統(tǒng)一地描述強(qiáng)子的結(jié)構(gòu)和它們之間的強(qiáng)相互作用，被認(rèn)為是有希望的強(qiáng)作用基本理論。
格點(diǎn)規(guī)范理論 (LGT) 是一種成熟且成功的離散化策略，適用于已發(fā)展成為極其成功的科學(xué)領(lǐng)域的計(jì)算方法。
研究過(guò)程中，研究小組在量子計(jì)算機(jī)上用動(dòng)態(tài)耦合物質(zhì)變分地準(zhǔn)備了非阿貝爾規(guī)范理論的低本征態(tài)。這使得可以觀察強(qiáng)子(粒子物理學(xué)中的概念)并計(jì)算它們的相關(guān)質(zhì)量。
同時(shí)，Muschik與來(lái)自約克大學(xué)的Randy Lewis合作，在IQC的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種混合資源高效的量子算法，使他們能夠在IBM的云量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)配對(duì)情況下，用簡(jiǎn)單非阿貝爾規(guī)范理論模擬系統(tǒng)。
通過(guò)這一具有里程碑意義的一步，研究人員不僅可以在當(dāng)今量子硬件上研究具有動(dòng)態(tài)物質(zhì)場(chǎng)的 SU(2) 規(guī)范理論，并能夠開(kāi)辟一條通往規(guī)范理論量子模擬的道路，這將解決粒子和核物理學(xué)中目前尚未解決的問(wèn)題。其能力和資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了世界上最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)的能力和資源。
除此之外，該成果為擴(kuò)展研究其他強(qiáng)子、擴(kuò)展SU（3）范式等一系列重要的后續(xù)步驟都奠定了基礎(chǔ)。
歸根結(jié)底，LGT計(jì)算對(duì)于研究非阿貝爾規(guī)范理論是必不可少的，而量子計(jì)算等戲劇性的新突破有可能極大地?cái)U(kuò)展數(shù)值可訪問(wèn)性的范圍。對(duì)完整的非阿貝爾基準(zhǔn)模型的計(jì)算，包括規(guī)范場(chǎng)和物質(zhì)場(chǎng)，代表了重要的第一步，并為非阿貝爾LGT的量子計(jì)算開(kāi)辟了道路。
“對(duì)我們來(lái)說(shuō)，這些結(jié)果令人興奮的是，該理論可以變得更加復(fù)雜，”IQC和滑鐵盧大學(xué)物理與天文系博士后張靜蕾表示，“我們可以考慮模擬更高密度的物質(zhì)，這超出了經(jīng)典計(jì)算機(jī)的能力。”
隨著科學(xué)家們開(kāi)發(fā)出更強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)和量子算法，他們將能夠模擬這些更復(fù)雜的非阿貝爾規(guī)范理論的物理學(xué)，并研究我們最好的超級(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法企及的迷人現(xiàn)象。
這一突破性的演示是邁向基于量子模擬理解宇宙的新時(shí)代的重要一步。
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