量子计算机模拟了超级计算机都搞不定的复杂物理现象

量子计算提供了一种前景广阔的替代方案，因为原则上它能更高效地表示和模拟这些系统。然而，一大挑战是找到可靠方法来设置模拟所需的初始量子态。在这项研究中，研究人员取得了首次突破：他们创建出可扩展量子电路，能够制备类似于粒子加速器中产生的粒子碰撞初始状态。他们的实验重点是标准模型所描述的强相互作用。

研究团队首先利用经典计算机确定小型系统所需的电路。一旦这些设计明确，他们便利用电路的可扩展结构，直接在量子计算机上构建更大规模的模拟。借助IBM的量子硬件，他们成功在100多个量子比特上模拟了核物理的关键特征。

**用于高密度物理的可扩展量子方法**

这些可扩展量子算法为之前无法实现的模拟打开了大门。这种方法可用于模拟粒子碰撞前的真空态、极高密度的物理系统以及强子束。研究人员预计，基于这些电路构建的未来量子模拟将超越经典计算的能力。

此类模拟有望阐明物理学中的重大未解问题，包括物质与反物质的失衡、超新星内部重元素的形成，以及超高密度下的物质行为。同样的技术或许还有助于模拟其他复杂系统，包括具有特殊量子特性的奇异材料。

核物理学家利用IBM的量子计算机完成了有史以来最大规模的数字量子模拟。他们的成功部分源于识别出物理系统中的模式，包括对称性和长度尺度差异，这帮助他们设计出能制备具有局域相关性状态的可扩展电路。他们通过在一维版本的量子电动力学中制备真空态和强子，证明了该算法的有效性。

**从小模型到大规模量子系统的推进**

研究团队首先通过经典计算工具在小型系统上测试电路组件，验证了所得状态可系统改进，以此对电路组件进行了验证。随后，他们将电路扩展到可处理100多个量子比特，并在IBM的量子设备上运行。利用这些模拟数据，科学家以百分比级精度提取了真空的性质。

他们还利用这些电路生成强子脉冲，然后模拟这些脉冲随时间的演化以追踪其传播。这些进展预示着未来量子计算机能够对极端条件下的物质进行全面动态模拟，而这远远超出了经典机器的能力范围。

这项研究得到了美国能源部（DOE）科学办公室、核物理办公室、量子模拟孵化器（IQuS）通过“量子视野：核科学量子信息科学研究与创新计划”以及量子科学中心（QSC）（DOE与华盛顿大学国家量子信息科学研究中心）的支持。额外的计算资源由橡树岭领导力计算设施（DOE科学办公室用户设施）和华盛顿大学的Hyak超级计算机系统提供。研究团队还感谢为本项目使用IBM Quantum服务。