团队在量子计算机上模拟对撞机物理

　　使用粒子对撞机探索最小的距离尺度通常需要详细计算传出粒子（最小填充的绿色圆圈）的光谱。图片来源：Benjamin Nachman，伯克利实验室
　　劳伦斯伯克利国家实验室物理学家Christian Bauer，Marat Freytsis和Benjamin Nachman通过Oak Ridge Leadership Computing Facility的量子计算用户程序利用IBM Q量子计算机来捕获两个质子碰撞的部分计算。该计算可以显示传出粒子将发射其他粒子的概率。
　　在该团队最近发表在《 物理评论快报》（Physical Review Letters） 上的论文中，研究人员描述了他们如何使用一种称为有效场论的方法将他们的完整理论分解成多个组成部分。最终，他们开发了一种量子算法，允许在量子计算机上计算其中一些组件，同时将其他计算留给经典计算机。
　　＂对于一个接近自然的理论，我们展示了这在原则上是如何工作的。然后，我们采用了该理论的一个非常简化的版本，并在量子计算机上进行了明确的计算，＂纳赫曼说。
　　伯克利实验室团队旨在通过观察实验室环境中的高能粒子碰撞来揭示对自然界最小组成部分的见解，例如瑞士日内瓦的大型强子对撞机。该团队正在通过使用计算来将预测与实际碰撞碎片进行比较，从而探索这些碰撞中发生的事情。
　　＂这种计算的困难之一是我们想描述大范围的能量，＂纳赫曼说。＂我们希望通过分析飞入我们探测器的相应粒子来描述最高能量过程到最低能量过程。
　　仅使用量子计算机来解决这些类型的计算需要许多量子位，这远远超出了当今可用的量子计算资源。该团队可以使用近似值在经典系统上计算这些问题，但这些忽略了重要的量子效应。因此，该团队的目标是将计算分成不同的块，这些块非常适合经典系统或量子计算机。
　　该团队通过美国能源部橡树岭国家实验室的OLCF的QCUP计划在IBM Q上进行了实验，以验证他们开发的量子算法在小尺度上再现了预期的结果，这些结果仍然可以用经典计算机计算和确认。
　　＂这是一个绝对关键的演示问题，＂纳赫曼说。＂对我们来说，重要的是我们在理论上描述这些粒子的性质，然后在量子计算机上实际实现它们的一个版本。当你在量子计算机上运行时，出现的许多挑战在理论上不会发生。我们的算法可以扩展，所以当我们获得更多的量子资源时，我们将能够进行我们无法经典地进行的计算。
　　该团队还旨在使量子计算机可用，以便它们可以执行他们希望做的科学。量子计算机是嘈杂的，这种噪音会给计算带来错误。因此，该团队还部署了他们在以前的工作中开发的错误缓解技术。
　　接下来，该团队希望为他们的问题添加更多维度，将他们的空间分解成更少的点，并扩大问题的大小。最终，他们希望在量子计算机上进行经典计算机无法实现的计算。
　　＂通过ORNL的IBM Q协议提供的量子计算机有大约100个量子位，所以我们应该能够扩展到更大的系统尺寸，＂Nachman说。
　　研究人员还希望放宽他们的近似值，并转向更接近自然的物理问题，以便他们可以执行不仅仅是概念证明的计算。