IBM量子计算机首次用于模拟高能粒子碰撞

光子盒研究院出品 

2018年CERN大型强子对撞机ATLAS探测器上的粒子碰撞。(来源：ATLAS)

量子理论经常被描述为一种破坏性的力量，使经典物理学似乎已经解决的一切变得复杂。然而，现在，美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）的物理学家们在一项原理证明研究中证明了两者可以并行工作，表明量子计算机如何补充模拟高能粒子碰撞的经典方法。

CERN（欧洲核子研究组织）的大型强子对撞机（LHC）等机器以超过1TeV（万亿伏特）的能量将质子碰撞在一起，产生了数以千计的粒子簇。物理学家使用计算机模型来预测这些粒子到达检测器时所发生的情况。在一种被称为“parton shower”的建模技术中，假设到达检测器的粒子是在最初碰撞后相互转换的粒子和辐射的长级联中的最后一步。

为了使parton shower包含粒子相互作用的量子特征，该模型需要同时考虑在初始粒子和最终粒子之间形成的所有可能的中间粒子，而这是经典计算机算法无法做到的。LBNL的理论物理学家Christian Bauer表示，他也是该论文的作者之一。“一个经典的parton shower所做的是它通过并产生一个特定的事件，一次一个，用一个特定的中间粒子，”Bauer解释说，“量子版的parton shower在某种程度上一次性实现了所有的可能性。”

在他们发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的研究中，Bauer及其同事创建了一种用于parton shower的量子算法。为此，他们开发了一个粒子物理标准模型的简化版本，该模型具有完整模型的一些功能，但对当今的量子计算机执行起来足够简单。然后，他们使用IBM Q Johannesburg芯片来计算此简化模型中可能发生的粒子过程的细节。

该IBM芯片有20个超导量子比特，LBNL科学家使用云访问对其进行编程，使用48个量子门操作，在5个量子比特上运行其量子parton shower算法。当他们将真实芯片的输出与IBM量子计算机模拟器的预测进行比较时，他们发现了极好的一致性——这表明该计算机在其粒子模型中完全捕获了量子效应。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.062001

量子效应很难或不可能在非量子设备上建模的想法由来已久，可以追溯到物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）在上世纪80年代初的演讲中。

没有参与这项研究的麻省理工学院物理学家Jesse Thaler说，从一开始就用量子力学的语言表述的parton shower的特征当然属于这一类。“虽然粒子散射的某些方面可以用经典语言来描述，但本质上是量子力学，”Thaler说。他认为，当前的研究可能是通往未来的一个跳板，在未来，理论家们将使用经典计算机和量子计算机的输出来拼凑出粒子对撞机内部发生的更复杂的模型。

然而，未来实现的速度将取决于量子计算能否克服某些硬件挑战。Thaler预测:“如果这些挑战能在LHC时代结束之前被克服，我会感到惊讶，但这类经典算法和量子算法的混合可能会对解释未来对撞机的数据有用，这是看似合理的。”

即使量子计算机还没有先进到足以完全超越经典计算机的程度，Bauer仍然认为使它们协同工作是有好处的。尽管经典计算技术在粒子物理学的某些领域产生了卓越的成果，但他和他的同事们的目标是专注于经典机器永远无法正确处理的内在量子效应。他说：“我们只应要求量子计算机完成传统计算机上难以完成的工作。”

Benjamin Nachman是LBNL的物理学家，也是这项研究的主要作者，他补充说，高能物理学家和量子信息科学家之间的合作是一条双向道路。他说:“我们可以应用一些高能物理的技术，来提升量子计算机的错误缓解能力。”

在美国能源部一个项目的资助下，他和他的合作者已经开始探索其中的一些技术，该项目为这种跨学科的合作伙伴关系提供了资金。

与此同时，LBNL团队正专注于使他们当前的标准模型物理的toy版本，以及随之而来更加复杂的量子算法。“如果明天有更好的量子计算机，我们就可以更精确地运行我们在这里开发的模型，”Bauer说。“但为了真正实现标准模型，还需要更多的理论工作——这并不是完全无法克服的，只是需要去做。”

原文链接：

https://physicsworld.com/a/quantum-computer-captures-physics-of-high-energy-particles/

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