近日，奧地利因斯布魯克大學(xué)與加拿大滑鐵盧大學(xué)的研究人員，首次利用新型量子計算機(jī)實現(xiàn)了二維量子場論的全尺度模擬，為探索粒子物理核心奧秘開辟了新路徑。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然·物理》上。

量子場論模擬對量子計算機(jī)構(gòu)成挑戰(zhàn)的關(guān)鍵在于，研究人員需要捕捉代表粒子間力的場，如帶電粒子間的電磁力。這些場可以指向不同方向，并具有不同的強(qiáng)度或激發(fā)程度。這些對象無法整齊地融入基于0和1的傳統(tǒng)二進(jìn)制計算范式中，而當(dāng)今的經(jīng)典計算機(jī)和量子計算機(jī)正是以此為基礎(chǔ)的。

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量子計算機(jī)實現(xiàn)二維量子場論模擬

此次突破的關(guān)鍵在于實現(xiàn)了新開發(fā)的qudit量子計算機(jī)和模擬基本粒子相互作用的qudit算法的結(jié)合。每個量子信息單元可承載五種狀態(tài)（而非僅有0和1兩種態(tài)），能高效地存儲和處理信息。研究人員表示，他們能夠利用該方法對量子場進(jìn)行自然表征，從而大大提高了計算效率。

早在2016年，因斯布魯克大學(xué)研究人員就已證明了粒子－反粒子對的產(chǎn)生，但該研究僅允許粒子沿一維路徑運動。在新研究中，研究人員首次在二維空間中釋放粒子，觀測到了粒子之間的磁場，展示了二維空間量子模擬。

關(guān)于量子電動力學(xué)的新研究只是一個開始。研究人員表示，只需再添加幾個量子位，就可將當(dāng)前的結(jié)果擴(kuò)展到三維模型，進(jìn)而研究強(qiáng)核力作用下的質(zhì)子、中子行為，這是揭示原子核穩(wěn)定性與物質(zhì)起源的關(guān)鍵，其中包含著物理學(xué)中許多尚待解開的謎團(tuán)。