科學家研製量子計算機模擬幽靈粒子：再現宇宙初始情景

科技 06-30

奧地利科學家利用一台量子計算機模擬真空中基本粒子對的形成過程。

據國外媒體報道，量子力學認為，在看似空空蕩蕩的宇宙真空區中，其實充滿了無數幽靈般的粒子，它們在存在與不存在兩種狀態之間反覆變化。近日，奧地利科學院科學家首次利用量子計算機模擬出這些所謂的虛擬粒子。研究人員認為，這一成果將有助於科學家探索宇宙之謎，從中子星的內核到宇宙大爆炸後最初情景。

量子力學表明，在微觀層面宇宙是一個模糊的、超現實世界。比如，原子和其它粒子可以以一種「疊加」狀態存在，它們看起來可以同時以相反的方向高速旋轉，而且它們還可以互相糾纏，即無論它們之間距離有多麼遠都可以互相影響。量子力學還認為，虛擬粒子對包括一個粒子和一個反粒子，它們可以在看似真空區忽隱忽現，並會影響周圍的環境。

量子力學是現代粒子物理學標準模型的基礎，而標準模型可以用來解釋所有已知基本粒子的行為，比如電子、質子等。然而，還有許多未解之謎標準模型仍然無法解釋，比如暗物質、暗能量等，因為所有這些天文學家都無法直接探測到，但是可以根據它們的引力效應進行合理推測。基本粒子之間的相互作用通常可以用所謂的「規範理論」來進行描述。但是，傳統計算機的計算能力根本無法用於模擬「規範理論」所提出的粒子實時動態。因此，科學家開始考慮採用量子計算機。

奧地利科學院量子光學與量子信息研究所理論物理學家克里斯廷-穆斯奇克介紹說，「我們採用量子計算機將有助於更好地理解自然界基本組成部分之間的相互作用。」傳統的計算機採用「0」與「1」二進位信息單位來代表數據，即比特，而量子計算機則採用量子比特。量子比特也是處於疊加狀態，因此一個量子比特可以同時運行兩項計算。從理論上講，在解決某些特定問題時，量子計算機比傳統計算機要快得多，因為量子計算機可以同時分析每一種可能的解決方案。

科學家採用四種電磁束縛鈣離子研製了一台量子計算機，然後再通過激光脈衝操控這四個量子比特。他們利用這台量子計算機模擬真空中虛擬粒子的忽隱忽現行為，其中每一個量子比特對代表一個虛擬粒子對，特別是指電子與正電子。研究人員介紹說，激光脈衝主要是用來模擬真空中強大的電磁場是如何生成虛擬粒子的。奧地利科學院量子光學與量子信息研究所物理學家萊納爾-布拉特介紹說，「這是束縛離子量子計算機所執行的最複雜試驗之一。」

試驗表明，量子計算機可以模擬高能物理現象，從而呈現在地球環境中難以形成的高能狀態下粒子的行為。研究團隊成員、奧地利因斯布魯克大學物理學家伊斯特班-馬丁內斯認為，「試驗量子計算機技術發展很快，很多人還搞不清楚，一台小型量子計算機究竟能起什麼作用。與其它方面的應用不同，你不需要數百萬的量子比特來完成這些模擬工作，十來個足以解決傳統方式無法解決的問題。」科學家們採用量子模擬器所分析的問題非常簡單，傳統的計算機也可以計算出結果。但試驗結果表明，量子模擬器的分析結果與預測的結果高度一致，精確度非常高。這表明，未來量子模擬器不僅僅可以用來解決「規範理論」中更加複雜的問題，甚至還可以取得新的發現成果。

穆斯奇克表示，「我們的試驗是未來發展下一代量子模擬器這一長期目標的第一步。」從理論上講，桌面量子模擬器將有助於模擬超高能物理學現象，如今這些任務都依靠非常昂貴的粒子加速器來完成的，比如大型強子對撞機。研究團隊成員、奧地利科學院量子光學與量子信息研究所物理學家彼得-佐勒認為，「這兩種技術可以實現完美互補。我們不能替代現有的粒子加速器的角色，但是通過發展量子模擬器，我們可以更好地理解粒子加速器的試驗成果。」

布拉特表示，「此外，我們還可以利用量子模擬器來研究新的領域，比如研究粒子對形成過程中的粒子糾纏問題，這在粒子加速器中是不可能實現的。」穆斯奇克認為，「最終，量子模擬器還可以幫助科學家模擬中子星內部動態，或研究早期宇宙高能狀態下的相關問題。」

科學家們的研究成果發表於《自然》期刊之上。

來源：新浪科技

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