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粒子模拟的一次重大飞跃

美国能源部的费米实验室的一组科学家已经找到了如何使用量子计算来模拟将宇宙结合在一起的基本相互作用。

在物理评论快报发表的一篇论文中,费米实验室的研究人员在使用量子计算机建模亚原子世界方面填补了一个显着的空白,解决了一系列粒子,这些粒子直到最近才在量子模拟中被相对忽视。

构成我们宇宙的基本粒子可以分为两组:称为费米子的粒子,它是物质的构建块,以及称为玻色子的粒子,它们是场粒子并牵引物质粒子。

近年来,科学家们成功地开发了量子算法来计算由费米子制成的系统。但他们对玻色子系统做同样艰难的时间。

费米实验室的科学家Alexandru Macridin第一次找到了在通用量子计算机上模拟含有费米子和玻色子的系统的方法,为亚原子领域的真实模拟打开了大门。他的工作是费米实验室量子科学计划的一部分。

“量子计算中玻色子的表现在以前的文献中从未得到很好的解决,”麦克里丁说。“我们的方法有效,而且比我们预期的要好。”

量子计算文献中玻色子的相对模糊性部分与玻色子本身有关,部分与量子计算研究的发展方式有关。

在过去的十年中,量子算法的发展主要集中在模拟纯粹的费米子系统,如量子化学中的分子。

“但在高能物理学中,我们也有玻色子,高能物理学家对玻色子和费米子之间的相互作用特别感兴趣,”费米实验室科学家Jim Amundson说,他是“物理评论快报”的合着者。“因此,我们采取现有的费米子模型和扩展他们包括玻色子,而我们做到了以一种新颖的方式。”

建模玻色子的最大障碍与量子比特的特性有关 - 量子比特。

映射状态

量子比特有两种状态:1和0。

同样,费米子状态有两种不同的模式:占用和未占用。

量子位的两国家财产意味着它可以代表费米子的状态非常直截了当:一个量子位状态分配给“占领”,而另一方面,“没人住。”

你可能还记得高中化学中对状态的占据:原子的电子轨道每个都可以被最多一个电子占据。所以他们要么被占用,要么被占用。反过来,这些轨道结合形成围绕原子核的电子壳。

量子位状态和费米子状态之间的一对一映射可以很容易地确定模拟费米子过程所需的量子位数。如果您正在处理40个费米子状态的系统,例如具有40个轨道的分子,则需要40个量子比特来代表它。

在量子模拟中,研究人员设置量子比特来表示分子过程的初始状态。然后根据反映该过程如何演变的算法来操纵量子比特。

更复杂的过程需要更多的量子比特。随着数量的增长,执行它所需的计算能力也在增长。但即使只有少数量子比特可供使用,研究人员也能够解决与费米子过程相关的一些有趣问题。

“关于如何将费米子映射到量子比特上有一个发展良好的理论,”该论文的共同作者费米实验室理论家罗尼哈尼克说。

玻色子,大自然的力粒子,是一个不同的故事。映射它们的业务很快就会变得复杂。这部分是因为,与受限制的双选费米子状态不同,玻色子状态非常适应。

容纳玻色子

由于只有一个费米子可以占据特定的费米子量子态,因此该状态要么被占用,要么不被占用 - 1或0。

相比之下,玻色子状态可以被可变地占据,容纳一个玻色子,一个数百万个玻色子或其间的任何东西。这使得将玻色子映射到量子比特变得困难。只有两种可能的状态,单个量子比特本身不能代表玻色子状态。

对于玻色子,问题不在于量子比特是代表占据还是未占据状态,而是代表玻色子状态需要多少量子比特。

“科学家已经想出了将玻色子编码成量子比特的方法,这需要大量的量子比特来给你准确的结果,”Amundson说。

在许多情况下,数量过大。通过某些方法,有用的模拟将需要数百万的量子比特来忠实地模拟玻色子过程,例如最终产生光粒子的粒子的变换,这是一种玻色子。

而这只是代表流程的初始设置,更不用说让它发展了。

麦克里丁的解决方案是将玻色子系统改写为其他东西,这是物理学家非常熟悉的东西 - 谐振子。

谐波振荡器无处不在,从亚原子到天文尺度。分子的振动,通过电路的电流脉冲,负载弹簧的上下摆动,行星围绕恒星的运动 - 都是谐波振荡器。甚至像Macridin看起来模拟的玻色子粒子也可以被视为微谐振荡器。由于它们无处不在,谐波振荡器很容易理解,可以精确建模。

在凝聚态物理学的背景下 - 从粒子基础开始研究自然界的几个缺口 - 麦克里丁熟悉模拟晶体中的谐振子。他找到了一种在量子计算机上表示谐振子的方法,将这些系统映射到具有极高精度的量子比特,并能够在量子计算机上精确模拟玻色子。

并且以低量子比特成本:在量子计算机上表示离散谐振子只需要几个量子比特,即使振荡器代表大量的玻色子。

“对于玻色子状态,我们的方法需要相对较少的量子比特 - 比之前其他群体提出的要小得多,”麦克里丁说。“对于做同样的事情,其他的方法,他们可能需要的幅度较大的量子位的订单。”

麦克里丁估计,每个玻色子态六个量子比特足以探索有趣的物理问题。

模拟成功

作为Macridin映射方法的试验,费米实验小组首先研究了量子场理论,这是一个专注于亚原子结构建模的物理学分支。他们成功地模拟了晶体中的电子与形成晶体的原子的振动的相互作用。该“振动的单元”是一个被称为声子的玻色子。

在附近的阿贡国家实验室使用量子模拟器,他们模拟了电子 - 声子系统 - 瞧!- 他们表明,他们可以高精度地计算系统的属性,仅使用大约20个量子比特。模拟器是一个经典的计算机,模拟量子计算机(高达35个量子比特)的工作原理。Argonne的研究人员利用模拟器及其在可扩展算法方面的专业知识,探索量子计算在量子化学和量子材料等关键领域的潜在影响。

“我们证明了这项技术的有效性,”哈尼克说。

他们进一步表明,通过将玻色子表示为谐振子,可以有效且准确地描述涉及费米子 - 玻色子相互作用的系统。

“结果证明这是一个很好的选择,”Amundson说。

“我从一个想法开始,它没有用,所以我改变了玻色子的表现,”麦克里丁说。“,效果不错。这使得费米子 - 玻色子系统的模拟对于近期量子计算机是可行的。“

通用应用

费米实验小组的模拟并不是科学家第一次在量子计算机中模拟玻色子。但在其他情况下,科学家们使用专门设计用于模拟玻色子的硬件,因此玻色子系统的模拟演化可以自然地发生在那些特殊的计算机上。

费米实验小组的方法是第一个可以有效应用于通用数字量子计算机的方法,也称为通用量子计算机。

Ferridlab的Macridin,Amundson和其他粒子物理学家的下一步是将他们的方法用于高能物理学的问题。

“在自然界中,费米子 - 玻色子相互作用是基本的。他们到处出现,“麦克里丁说。“现在,我们可以将我们的算法扩展到在我们的领域的各种理论。”

他们的成就超越了粒子物理学。Amundson说,他们的小组听取了材料科学家的意见,他们认为这项工作可以在可预见的未来解决实际问题。

“我们以一种需要更少资源的新方式引入了玻色子,”Amundson说。“它真正开启了一个全新的类量子模拟。”

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