量子計算機技術可能有助於解決經典計算機無法應對的問題。
【圖注】研究人員實現量子模擬時所用的離子阱。
物理學家首次在量子計算機上完整模擬了一次高能物理實驗，重現了粒子和反粒子對的產生。如果實驗團隊能夠擴大量子計算機的規模，就有可能處理對於普通計算機來說處過於複雜的計算。
為了準確理解理論的預言，物理學家一般會做計算機模擬。然後對比模擬的結果和真實的實驗數據來檢驗理論。
然而在某些情況下計算過於困難，無法通過第一性原理做出預言。對於涉及強核力的現象更是如此，而強核力決定夸克如何約束在一起成為質子和中子，以及這些粒子如何形成原子核，奧地利因斯布魯克大學的理論物理學家、模擬團隊成員克裡斯蒂娜·穆希克（Christine Muschik）說。
許多研究者期望未來的量子計算機可以幫助解決這一問題。量子計算機仍處於研發的最初的階段，它們可以利用物體能夠同時處於多個狀態的的物理特性，將信息編碼在「量子比特」裡，而不是只有開啟或關閉兩種狀態的經典比特。一臺由量子比特構成的計算機可以同時進行多個計算，在完成某些任務時要比普通計算機快得多。
巧妙運用量子比特
埃斯特班·馬丁內斯（Esteban Martinez）是因斯布魯克大學的一名實驗物理學家，他和同事完成了模擬高能物理實驗的概念證明。他們模擬實驗是能量轉變為物質，產生一個電子和一個正電子（電子的反粒子）。
該團隊使用了一個經過測試檢驗可行的量子計算機來進行模擬，在這個機器中，電磁場將真空中的四個離子約束成排，其中每個離子編碼一個量子比特。研究者通過雷射束來操控這些離子的自旋（磁場取向），從而誘導離子實現邏輯運算，邏輯運算是任何計算機進行計算都需要的基本步驟。
大約經過100個分別持續數毫秒的運算步驟後，研究團隊用數位相機觀察離子的狀態。四個離子，每一個代表著一個位置，其中兩個離子代表粒子，另外兩個代表反粒子，離子的取向揭示了在該位置處是否產生了粒子或者反粒子。
他們的量子計算證實了簡化版量子電動力學（描述電磁相互作用力的理論）的預言結果。「場越強，我們就能越快地創造粒子和反粒子，」馬丁內斯說。他和合作者在《自然》雜誌6月刊上的一篇文章中描述了實驗結果。
四個量子比特僅構成一個原始量子計算機，而對於未來的量子計算機，要實現對大素數分解等這種傳說中的應用，將需要上百個量子比特以及複雜的糾錯碼。但是對於能夠容許小幅誤差的物理模擬來說，30至40個量子比特就已經足夠了，馬丁內斯說道。
約翰·基亞韋裡尼（John Chiaverini）是麻省理工學院的研究量子計算的物理學家，他表示如果沒有重大的改進，這種模擬實驗可能會難於擴展，阱中離子的線性排列「對解決規模較大的問題尤其是個限制」。而穆希克的團隊已經在計劃利用排列為二維構型的離子來進行模擬實驗了。
我們能解答了嗎？
「到目前為止，對於經典計算機不能處理的問題，我們還是無法解答，」 馬丁內斯說，「但是這是走向解答的第一步。」對於理解電磁力，量子計算機並非必要。然而研究者還是期望提高技術，從而能夠模擬強相互作用力。穆希克表示這可能要花費很多年，不僅需要硬體上的突破，而且需要發展新的量子算法。
擴展的量子計算機有助於我們了解兩個原子核高速碰撞時所發生的事情。面對這樣的碰撞問題時，經典計算機上運行的模擬就會崩潰，理論物理學家安德烈亞斯·克龍費爾德（Andreas Kronfeld）說道。他正在美國費米國家加速器實驗室（Fermilab）進行強核力模擬工作。
此外，擴展的量子計算機也有助於我們了解中子星。研究者認為這些緻密天體是由密集壓縮在一起的中子組成，但是他們對此並不確定，而且他們也不清楚那些中子是以何種物態存在的。
撰文：達維德·卡斯泰爾韋基（Davide Castelvecchi）
翻譯：王微曉
審校：韓晶晶
原文連結：
http://www.nature.com/news/quantum-computer-makes-first-high-energy-physics-simulation-1.20136
本文來源：《科學美國人》中文版《環球科學》 責任編輯： 王鳳枝_NT2541