科學家在極端條件下研究物質，以發現自然界最基本的行為。粒子物理學的標準模型提供了描述這些現象所需的方程。但在許多實際情況下，例如快速變化的環境或極其緻密的物質，這些方程過於復雜，即使是最先進的經典超級計算機也無法處理。
量子計算是一個有吸引力的替代方案。因為原則上量子計算可以更有效地呈現和模擬這些系統。然而，一個關鍵的挑戰是找到一種可靠的方法來設置模擬所需的初始量子態。在這項工作中，研究人員實現了第一個：他們創建了一個可擴展的量子電路，可以準備類似於粒子加速器中發生的粒子碰撞的初始狀態。該測試側重於標準模型描述的強相互作用。
該團隊首先定義運行經典計算機的小型系統所需的電路。一旦您了解了這些設計，他們就會使用電路的可擴展結構直接在量子計算機上創建更大的模型。利用 IBM 的量子硬件，他們成功地在 100 多個量子位上模擬了核物理的關鍵特徵。
高密度物理的可擴展量子方法
這些可擴展的量子算法為以前無法實現的模擬打開了大門。該方法可用於模擬粒子碰撞前的真空狀態。非常密集的物理系統和強子束研究人員預測，未來基於這些電路構建的量子模擬將超過經典計算機的能力。
這樣的模擬可能會揭示物理學中重要的開放式問題。包括物質和反物質的不對稱性。超新星內重元素的產生以及極其緻密物質的行為。同樣的技術也可以幫助模擬其他困難的系統，包括具有不尋常量子特性的奇異材料。
核物理學家使用 IBM 的量子計算機執行有史以來最大規模的數字量子模擬。其成功的部分原因在於識別物理系統中的模式。包括對稱性和長度尺度的差異。這有助於他們設計可擴展的電路。他們通過在量子電動力學的一維版本中協調真空和強子狀態來證明該算法的有效性。
從小模型到大規模量子系統的進展
該團隊首次使用經典計算機工具在小型系統上測試電路組件，從而驗證了電路組件。確認所得到的狀態可以系統地得到改善。然後，他們擴展了電路以容納 100 多個量子位，並在 IBM 的量子設備上運行。科學家們利用這些模擬中的數據以百分比級的精度提取真空的特性。
他們還使用電路來產生強子脈衝。然後對這些脈衝如何隨時間演變進行建模，以追踪它們的傳播。這些進步預示著未來，量子計算機可以在經典機器無法達到的極端條件下模擬完全動態的物質。
這項研究得到了能源部 (DOE) 科學辦公室、核物理辦公室、量子模擬 InQubator (IQuS) 通過量子地平線：QIS 核科學研究與創新計劃、量子科學中心 (QSC)、DOE 撥款以及華盛頓大學國家量子信息科學中心的支持。其他計算資源由橡樹嶺領導計算設施、能源部科學用戶設施辦公室和華盛頓大學的 Hyak 超級計算機系統提供。該團隊還承認該項目使用了 IBM Quantum 服務。
