这项研究于9月23日发表在《自然·物理》上，展示了囚禁离子量子计算机如何成为探索基础物理学中一些最深刻问题的强大工具。该实验模拟了一个被称为弦断裂的过程，在这一过程中，两个相连的物质基本构件被拉开，直到积聚了足够多的能量，以至于在连接断裂时，新粒子可以有效地“凭空出现”。
“除了亲眼见证宇宙大爆炸本身，量子计算机模拟为研究物质形成等复杂问题提供了最佳平台，”领导这项研究的杜克大学Gilhuly家族总统杰出电气与计算机工程及物理学教授Christopher Monroe说。“这些发现标志着量子科学领域的显著进展，并为我们理解弦断裂动力学开辟了新途径。”
这项研究是由一个国际合作团队完成的，该团队包括来自马里兰大学（UMD）、牛津大学、加州理工学院、康奈尔大学和鲁汶大学的研究人员。这些发现与另外两项最近发表的独立团队的研究并列出现，这些团队使用不同类型的量子计算硬件重现了类似的物理现象。
为什么夸克不能被简单地拉开
夸克是已知最基本的物质构件之一。它们存在于质子和中子等粒子内部，大约比原子小十亿倍。科学家目前无法直接观察到孤立的夸克，因为夸克通常紧密地结合在一起。
想象这种情况的一种方法是设想两个由一根拉紧的弦连接的微小带电粒子。它们被拉得越远，它们之间的连接中储存的能量就越多。
最终，会积聚足够的能量来创造额外的带电粒子。这是可能的，因为质量和能量通过爱因斯坦著名的方程E=mc2联系在一起。最终的结果不是一对分离的粒子，而是原来的连接断裂并形成新的粒子对。
这类过程需要巨大的能量，通常只在极端条件下发生，例如在大型强子对撞机内部产生的条件，或被认为在大爆炸后不久存在的条件。
在量子机器中重现弦断裂
在这项新实验中，由杜克大学领导的团队使用囚禁离子量子平台重现了类似的弦断裂行为。量子模拟器对于这类工作特别有用，因为研究人员可以精确控制它们，并对它们进行编程以模拟发生在原子和亚原子尺度上的物理过程。
“在量子模拟和高能物理的交叉领域工作令人无比兴奋，”该论文的第一作者、Monroe实验室前博士生、现为QuEra Computing生产机器负责人的Arinjoy De说。“通过在受控的实验室环境中模拟夸克禁闭和弦断裂现象，我们为在最基本层面上研究物质行为的实验开辟了新途径。”
为了构建模拟，研究人员将一个弦断裂模型编码到一条由13个囚禁离子组成的链中。然后使用精心控制的激光束来调整离子之间相互作用的方式。
这些相互作用使团队能够以一种重现粒子类弦的拉伸和最终断裂的方式来控制系统的能量。
观察量子系统的演化
研究人员将系统制备处于非平衡态，然后追踪它随时间的变化。这使他们能够检测到有效电荷的出现，并重建与模拟的弦断裂过程相关的动力学。
为了检查结果，团队还使用经典计算机对同一过程进行了建模。经典计算的结果与量子模拟器产生的实验结果相吻合。
对于这种相对较小规模的模拟，经典计算机仍然可以进行计算。然而，研究人员预计，随着未来的实验变得更大、更复杂，量子计算机最终将能够解决经典机器无法处理的此类问题。
其他研究小组最近使用不同形式的量子硬件也达到了类似的里程碑。由Google和QuEra Computing领导的团队分别使用超导电路和中性原子重现了相关的弦断裂模型。每种方法都有其自身的优势和局限性。
“这是引领量子计算发展的三个平台，因此这对量子界来说是一个很好的基准和比较，”Monroe补充道。
迈向超越超级计算机的模拟
囚禁离子的结果代表了向量子模拟迈出的又一步，这些模拟甚至对世界上最强大的传统超级计算机来说都过于复杂。
如果量子系统继续扩大规模，研究人员最终可能使用它们来研究那些难以或无法在实验室中直接重现的问题，包括大爆炸后不久物质是如何表现和演化的。
“作为一名物理学家，在原子级计算机器中研究早期宇宙的条件令人无比兴奋，”研究团队成员、马里兰大学物理学副教授Zohreh Davoudi说。“即使是来自非平衡态物理模型的最微小的见解，也将指引我们的未来。”
该研究得到了能源部（DE-SC0020312, DE-SC0025341, DESC0019040, DE-SC0024220, DE-SC0020271）、国家科学基金会（OMA-2120757）、空军科学研究办公室、国防高级研究计划局以及亚马逊网络服务的支持。