在当今科学领域，要理解自然的基石，就必须深入研究量子物理这个既奇特又复杂的世界。而这项努力的核心在于研究粒子间的相互作用以及引导它们的无形力量——这些力量由科学家们称之为规范理论的理论所解释。这些理论描述了粒子如何通过交换携带力的粒子进行相互作用，构成了我们通过粒子物理标准模型对物质的最佳理解的基础。
然而，在计算机上处理规范理论并非易事。这是因为支配这些粒子的规则并不遵循日常逻辑。它们受到量子力学的支配，在量子力学中，事物可以同时存在于多种状态，粒子可以凭空产生和消失，一切都通过纠缠连接在一起。这些复杂性使得使用传统的，甚至是大多数现代的超级计算机来模拟量子系统变得极其困难。
超越二进制：量子计算的新维度
无论是经典计算机还是量子计算机，通常都使用二进制语言。一台普通的计算机处理的是 0 或 1 的比特。量子计算机使用量子比特，由于一种称为叠加的现象，它可以同时是 0 和 1。仅仅这一点就使得它们在处理量子问题时具有很大的优势。但仍然存在限制。
一些最困难的物理问题，比如模拟量子场论中的实时动态，或者理解稠密物质的形式，都远远超出了即使是使用量子比特的强大量子计算机所能处理的范围。这些问题涉及符号问题，数值模拟变得过于不稳定或不可靠，使得经典技术几乎不可能应用。
现在，一种新型的量子计算机正在帮助科学家突破这些限制——通过超越量子比特。
量子维度（Qudit）的崛起
这项创新围绕着一种叫做量子维度（qudit）的东西。量子维度不是仅仅存储两个可能的值（比如一个量子比特），而是可以存储多个能量级别——三个、四个、五个，甚至更多。这就像把一个简单的灯泡开关换成了一个具有多个设置的调光器。
这种额外的灵活性使得量子计算机在模拟规范场时具有优势，因为规范场自然存在于更高的维度中。这些场代表着诸如电力和磁力之类的东西，它们不能整齐地放入二进制系统中。通过使用量子维度，科学家们可以更直接和有效地模拟这些复杂的场。
在最近的一项实验中，来自奥地利因斯布鲁克大学的一个团队，在物理学家马丁·林鲍尔（Martin Ringbauer）的领导下，与加拿大滑铁卢大学的克里斯汀·穆斯基克（Christine Muschik）领导的一个理论小组合作。他们一起进行了首次量子模拟，模拟了二维空间中既有粒子又有场的规范理论——这是前所未有的。
量子电动力学的重要突破
该团队的重点是二维量子电动力学（2D-QED）。这是描述光和物质如何在现实世界中相互作用的理论的一个更简单的“表亲”。即使它只存在于二维空间中，它仍然捕捉到了粒子物理学的许多基本部分，比如粒子和电磁场之间的相互作用。
在实验中，他们创建了一个简化的空间版本——一个晶格，或者说是一个正方形的晶格，用来模仿空间的结构。在这个小区域上，他们使用由捕获离子制成的量子维度量子处理器模拟了粒子和规范场的行为。每个离子可以代表两个以上的状态，使得模拟可以在使用更少资源的同时包含更多细节。
这不仅仅是一个技术上的技巧。它让团队能够观察到粒子之间的磁场，这在更简单的一维模拟中是看不到的。正如该研究的主要作者迈克尔·梅斯（Michael Meth）解释的那样：“我们的方法能够自然地表示量子场，这使得计算效率更高。”
在之前的工作中，同一个团队已经展示了如何在量子模拟中创建粒子和反粒子。但早期的演示只允许粒子在一条线上移动。现在，他们已经进入了真正的二维空间，这允许了更丰富和更真实的物理学。“取消这个限制是使用量子计算机来理解基本粒子相互作用的关键一步，”穆斯基克说。
更小、更智能、更可扩展
这项突破最令人兴奋的部分之一是它的效率。通过使用高保真的量子维度门——本质上是让量子维度相互作用的规则——他们能够大幅减少量子电路中所需的步骤数量。这很重要，因为今天的量子硬件仍然很脆弱。所需的运算越少，模拟就越可靠。
事实上，对于他们的基本模拟，该团队发现他们的电路的复杂性比使用量子比特提高了一个数量级。这种飞跃为在近期的量子硬件上运行真正的物理问题开辟了新的机会——不是几十年后，而是很快。
控制规范场的维度是另一个关键的成功之处。该团队展示了如何调整量子维度中的能级数量可以影响模拟的准确性。这是一个在性能与模型的物理细节之间取得平衡的强大工具。
而且，由于量子维度可以更好地反映规范场的高维特性，它们有助于避免“截断”问题，这种问题发生在为了使物理模型适应更简单的计算模型而切断物理模型的某些部分时。
未来的道路：走向强作用力及更远
这项工作的意义远远超出了一个单一的模拟。它标志着科学家们如何使用量子计算机探索粒子物理学的一个转折点。
规范理论，包括量子电动力学，是更广泛的标准模型的一部分，标准模型也包括强核力——一种将原子核结合在一起的力。这种力仍然是物理学中最不被理解的领域之一。但研究团队表示，只需要再多几个量子维度，他们的方法就可以扩展到三维模型，甚至包括强作用力本身。
这可能会为几十年来一直悬而未决的问题提供答案。粒子在极端条件下，比如在 neutron 星内部，是如何表现的？我们能否模拟早期宇宙，并理解物质在大爆炸后的最初时刻是如何形成的？
“量子计算机为推进规范理论模拟的前沿提供了独特的科学机会，”研究人员写道。与经典方法不同，量子模拟不会受到符号问题的干扰，使其成为探索这些具有挑战性的领域的理想选择。
“这使我们向研究自然迈出了重要一步，”林鲍尔说。“我们对量子计算机在研究这些引人入胜的问题方面的潜力感到兴奋。”
从理论梦想到物理现实
尽管仍处于早期阶段，但这项研究证明了量子计算——特别是使用量子维度——可以解决真正的物理问题。它将曾经的理论梦想变成了可以测试和观察的东西。希望是，随着硬件的改进和更多量子维度的出现，更大、更复杂的模拟将为科学领域一些最深刻的谜团解开答案。
通过将尖端的硬件与智能算法相结合，研究人员正在为一种新型的科学发现奠定基础。理解宇宙的下一个篇章可能不是来自于建造更大的粒子加速器，而是来自于建造更好的量子计算机——不仅仅用零和一来计算，而是用更强大的东西来计算。
研究结果发表在《自然物理学》杂志上。
