量子電腦模擬宇宙隱藏力量 開啟物理學新篇章

物理學家利用最先進的量子電腦，成功模擬了二維空間中的複雜粒子理論。這臺機器不同於傳統的二進位系統，它使用能處理更多數值的「量子位元」（qudits）來自然呈現量子場。這一躍進標誌著我們在解決物理學中一些最大問題上邁出了重要一步。

粒子物理學的標準模型是目前解釋宇宙基本粒子和力量的主要理論。它將粒子及其反粒子（如電子和正子）描述為量子場，這些場透過力場（如電磁場）相互作用，使帶電粒子相互結合。為了更好地理解這些量子場的行為，從而揭示宇宙的運作方式，科學家依賴於基於量子場理論的複雜電腦模擬。然而，這些模擬對最強大的超級電腦來說也極為困難，對量子電腦同樣具有挑戰性。因此，許多關鍵的物理問題至今仍未得到解答。

如今，研究人員取得了重大進展。由因斯布魯克大學的Martin Ringbauer領導的實驗團隊，以及滑鐵盧大學量子計算研究所（IQC）的Christine Muschik帶領的理論團隊，成功模擬了多於一維空間的完整量子場理論。這項成果於3月25日發表在《自然物理學》期刊上。

量子場理論模擬的挑戰在於如何捕捉粒子之間的力場，例如帶電粒子之間的電磁力。這些場可以指向不同方向，並具有不同的強度或激發程度。這樣的物體並不能很好地適應基於0和1的傳統二進位計算正規化，這也是當今經典和量子電腦的基礎。

這項新進展得益於因斯布魯克開發的量子位元量子電腦，以及滑鐵盧開發的量子位元演算法，用於模擬基本粒子相互作用。這種方法基於每個量子資訊載體使用多達五個數值，而不僅僅是0和1，從而高效地儲存和處理資訊。這樣的量子電腦非常適合在粒子物理計算中呈現複雜的量子場。

研究的主要作者Michael Meth解釋道：「我們的方法能夠自然地呈現量子場，這使得計算更加高效。」這使得團隊能夠觀察到二維空間中量子電動力學的基本特徵。

早在2016年，因斯布魯克的研究人員就展示了粒子-反粒子對的產生。當時，他們透過限制粒子線上上移動來簡化問題。Christine Muschik表示：「移除這一限制是使用量子電腦理解基本粒子相互作用的關鍵一步。」

現在，團隊首次展示了二維空間中的量子模擬。Martin Ringbauer解釋道：「除了粒子的行為，我們現在還能看到它們之間的磁場，這只有在粒子不限制線上上移動時才能存在，這使我們在研究自然方面邁出了重要一步。」

這項關於量子電動力學的新研究僅僅是個開始。Ringbauer興奮地表示：「只需增加幾個量子位元，我們就能將目前的結果擴充套件到三維模型，甚至研究強核力，這種力將原子結合在一起，並包含許多物理學的未解之謎。我們對量子電腦在這些迷人問題研究中的潛力感到非常興奮。」

這項研究得到了奧地利科學基金（FWF）、奧地利聯邦教育、科學和研究部、奧地利研究促進局（FFG）、歐盟以及加拿大第一研究卓越基金等機構的資助。