研究小组用量子计算机来模拟从真空中产生基本粒子的过程。

　　基本粒子是物质的基本构成单元，它们的性质由粒子物理学的标准模型来描述。2012年在欧洲核子研究中心发现了希格斯玻色子构成了对标准模型的进一步确认。然而，这一理论的许多方面仍然有待理解，因为它们的复杂性使它们难以用经典的计算机来进行研究。量子计算机可能能提供一种克服这个障碍的方法，因为它们可以模拟在一个良好控制的量子系统中的基本粒子物理学的某些方面。来自Innsbruck大学和奥地利科学院量子光学和量子信息研究所(Institute for Quantum Optics and Quantum Information，IQOQI)的物理学家现在就是这样做的：Rainer Blatt和Peter Zoller的研究组在国际上第一次在量子计算机上模拟了晶格规范理论。他们在《自然》杂志上介绍了他们的工作。

　　用量子计算机模拟粒子-反粒子对

　　规范理论描述基本粒子之间的相互作用，如夸克和胶子，它们是我们理解基本过程的基础。“例如基本粒子碰撞或粒子反粒子对自发产生等动态过程是非常难研究的，”IQOQI理论物理学家Christine Muschik解释。“然而，科学家们在用经典计算机进行数值计算时很快就达到了极限。因此，有人提出使用可编程量子系统来模拟这些过程。”在最近几年，许多有趣的概念被提了出来，但直到现在，它们都是不可能实现的。“我们已经开发了一个新的概念，使我们能够利用量子计算机来模拟真空中电子-正电子对的自发产生，”Muschik说。该量子系统由通过激光脉冲控制的四个被电磁束缚的钙离子组成。“每对离子代表一对粒子和反粒子，”实验物理学家Esteban A. Martinez解释说。“我们用激光脉冲来模拟真空中的电磁场。然后，我们能够观察到粒子是如何通过这个场的能量的量子波动来产生的。通过观察离子的荧光，我们看到粒子与反粒子是否产生了。我们可以修改量子系统的参数，这使得我们能够观察和研究粒子对产生的动态过程。

　　结合不同的物理场

　　通过这个实验，Innsbruck大学的物理学家们在物理学领域之间搭起了一座桥梁：他们利用原子物理实验来研究高能物理中的问题。数以百计的物理学家从事标准模型的高度复杂理论研究，并在极其昂贵的设施——如欧洲核子研究中心的大型强子对撞机——上进行实验，而量子模拟可以由小型团队通过桌面实验来完成。“这两种方法完美的相互补充，”理论物理学家Peter Zoller说。“我们不能代替用粒子对撞机进行的实验。然而，通过开发量子模拟器，我们有一天可以更好的理解这些实验。”实验物理学家Rainer Blatt补充说：“此外，我们可以利用量子模拟来研究新的过程。例如，在我们的实验中，我们还研究了在粒子对生成过程中产生的粒子纠缠，这在粒子对撞机中是不可能的。”物理学家相信，未来的量子模拟器将有可能解决高能物理中那些不能通过传统的方法解决的重要问题。

　　一个新的研究领域的基础

　　高能物理和原子物理结合的想法也是这几年才提出来的。有了这项研究成果，这个想法第一次在实验中实现了。“这种方法在概念上与以前研究多体物理或量子化学的量子模拟实验是非常不同的。基本粒子过程的模拟在理论上是非常复杂的，因此，必须满足非常具体的要求。因为这个原因，制定一个合适的协议是非常困难的，”Zoller强调。对于实验物理学家所要求的条件是同样的：“这是在离子陷阱量子计算机上进行过的最复杂的实验，”Blatt说。“我们仍然在搞清楚这些量子模拟是如何工作的，并且只会逐渐地将它们应用到更具挑战性的现象中，”Innsbruck大学物理学家的理论和实验专长是这个突破的关键。Blatt和Zoller强调他们已经从事量子计算机的研究很多年，并取得了大量的实践经验。Innsbruck大学已成为量子物理学研究的主要中心之一;在这里，理论分支和实验分支在一个非常高的水平上一起工作，这使得他们能够获得关于基本现象的新见解。

　　这些科学家得到了Innsbruck大学，奥地利科学院量子光学和量子信息研究所(IQOQI)，奥地利科学基金(FWF)，德国国家科学院，欧盟以及奥地利蒂罗尔产业联盟等机构的资助。

来源：LabBang资讯