量子宇宙模擬競賽開啟：量子計(jì)算機(jī)可以模擬并闡明復(fù)雜物理現(xiàn)象

近期，在模擬和數(shù)字量子模擬方面都取得了進(jìn)展，預(yù)示著量子計(jì)算機(jī)能夠模擬——從而闡明——即使是功能最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)也無法處理的復(fù)雜物理現(xiàn)象的未來。

使用普通計(jì)算機(jī)創(chuàng)建對(duì)世界的真實(shí)模擬是不可能的。因而，模擬物理現(xiàn)實(shí)成為了量子計(jì)算機(jī)的原始、明確目的。在 1981 年，量子計(jì)算機(jī)因作為破解加密的潛在工具而聲名鵲起之前很久，物理學(xué)家 Richard Feynman 就為如今價(jià)值數(shù)十億美元的建造它們的工作打下了基礎(chǔ)，他曾如此打趣道：“見鬼，世界不是經(jīng)典的，如果你想要模擬它，你最好讓它量子化?！?/p>

盡管量子計(jì)算機(jī)仍然體積小、功能簡單，但現(xiàn)在已經(jīng)足夠先進(jìn)，以至于物理學(xué)家們正在使用它們來模擬自然界的小部分。比如在奧地利的一場實(shí)驗(yàn)中，物理學(xué)家最近使用量子計(jì)算機(jī)模擬了電磁場的二維區(qū)域。他們?cè)跀?shù)字場中觀察到了量子波動(dòng)——粒子從無到有，又從有到無的對(duì)立現(xiàn)象。

而關(guān)于如何使用量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行研究，研究者們?cè)诓煌馁惖郎线M(jìn)行著競速。

一些團(tuán)隊(duì)使用標(biāo)準(zhǔn)的量子計(jì)算機(jī)：這些可編程機(jī)器通過在量子比特或“量子位”之間誘導(dǎo)相互作用來執(zhí)行算法。與普通比特不同，這些計(jì)算元素由量子對(duì)象組成，這些對(duì)象可以同時(shí)處于兩種可能的狀態(tài)，標(biāo)記為 0 和 1。

其他團(tuán)隊(duì)，例如二維電磁場的創(chuàng)造者，使用基于量子數(shù)字或“量子比特”的量子計(jì)算機(jī)。這些量子對(duì)象可以存在于三種或更多可能的狀態(tài)，因此可以編碼更多信息。

還有其他團(tuán)隊(duì)使用模擬量子模擬器，它們用一個(gè)更容易構(gòu)建的量子系統(tǒng)來模擬一個(gè)量子系統(tǒng)。這就像把模型飛機(jī)放在風(fēng)洞中，以了解真實(shí)飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)。

量子對(duì)量子

模擬自然就是模擬量子場——充滿宇宙的流體狀實(shí)體。當(dāng)能量擾動(dòng)量子場時(shí)，它們會(huì)波動(dòng)，這些波動(dòng)就是基本粒子。量子場是宇宙中所有物質(zhì)和力粒子的基礎(chǔ)。

圖示：用于模擬量子場動(dòng)力學(xué)的谷歌量子處理器。

研究通過計(jì)算機(jī)模擬場和粒子的實(shí)時(shí)行為并非新鮮事。幾十年來，學(xué)者們一直都是采用將量子場近似為離散的點(diǎn)陣來進(jìn)行模擬。但即便繞過了真實(shí)分辨率的門檻，經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬也依然遇到了瓶頸。

這要怪糾纏這種兩個(gè)（或更多）粒子被“綁定”在一起，無論它們相隔多遠(yuǎn)，對(duì)其中一個(gè)粒子的測(cè)量結(jié)果都會(huì)立刻與另一個(gè)粒子相關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象。數(shù)學(xué)上，糾纏粒子必須集體描述。在一個(gè)包含許多相互作用的量子粒子系統(tǒng)中，它們相互依賴的數(shù)學(xué)描述很快就會(huì)變得復(fù)雜。

因此，經(jīng)典量子粒子的模擬僅限于微小系統(tǒng)規(guī)模和低維空間。但量子計(jì)算機(jī)，由量子元件構(gòu)建，其糾纏是固有的。它應(yīng)對(duì)這些問題就相當(dāng)?shù)眯膽?yīng)手起來。

新世代計(jì)算方式

數(shù)字量子計(jì)算機(jī)使用由原子或超導(dǎo)電路制成的量子比特存儲(chǔ)信息，當(dāng)量子比特相互作用時(shí)，它們可能會(huì)糾纏，這些交互可以編碼計(jì)算。

奧地利的一支團(tuán)隊(duì)正在構(gòu)建一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，它使用的是qudits而不是 qubits——每個(gè) qudits 有五種可能的狀態(tài)。這種額外的可能性使得每個(gè)粒子可以存儲(chǔ)更多信息，并減少復(fù)雜計(jì)算所需的步驟數(shù)量。團(tuán)隊(duì)的模擬中，邏輯由qubit 邏輯轉(zhuǎn)換為 qudits 時(shí)，電路縮小了十倍。

該團(tuán)隊(duì)在 2016 年就完成了一維電磁場的模擬。近十年后，他們已成功擴(kuò)展到二維，模擬了一個(gè)具有更豐富動(dòng)態(tài)的電磁平面世界。

為了形成一個(gè)電磁場的正方形區(qū)域，他們使用了五個(gè)離子——四個(gè)位于角落，一個(gè)位于中心。不過，即使只有五個(gè)離子，團(tuán)隊(duì)也能憑借算法引發(fā)的夸克間的相互作用，檢測(cè)到代表在模擬場中自發(fā)出現(xiàn)的粒子對(duì)的信號(hào)。

他們的成果發(fā)布在 2025 年 3 月的《Nature Physics》上，這是首次在二維中對(duì)粒子和它們的量子力場進(jìn)行量子模擬，也是首次成功運(yùn)行一個(gè)完整的 qudit 算法。

相關(guān)鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-025-02797-w

但倘若是為了真正模擬自然，這些工作還不夠，研究者需要擴(kuò)大范圍，進(jìn)入到三維空間之中。

桌上的宇宙

關(guān)于如何進(jìn)入到這種境界，研究者們各有各的想法。

使用模擬器，物理學(xué)家將感興趣的量子系統(tǒng)映射到類似系統(tǒng)中，其中模型系統(tǒng)由冷卻到幾乎絕對(duì)零度的原子組成，量子效應(yīng)占主導(dǎo)地位。

模擬方法的一個(gè)里程碑事件發(fā)生在 2020 年，當(dāng)時(shí)中國深圳的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家Halimeh和 Bing Yang，以及合作者們發(fā)表了一篇關(guān)于一維量子電動(dòng)力模擬的研究，使用了一個(gè)由 71 個(gè)釕原子組成的陣列。 盡管像這樣的模擬器尚未擴(kuò)展到兩維，但已經(jīng)屬于相對(duì)接近的一批了。

然而，這個(gè)模擬不包括二維量子電動(dòng)力學(xué)中存在的所有動(dòng)力學(xué)。正如 Halimeh 在回應(yīng)中指出的，它缺少一個(gè)磁場。對(duì)于量子模擬器來說，真正的價(jià)值在于強(qiáng)相互作用背后的場。

這種力將夸克和膠子結(jié)合在一起，形成質(zhì)子和中子。描述它的量子場理論，稱為量子色動(dòng)力學(xué)（QCD），在數(shù)學(xué)上比電磁場理論復(fù)雜得多。但它可能關(guān)系到如何理解物質(zhì)在極端條件下行為，以及如何創(chuàng)造新型奇異材料。

圖示：QCD 概念圖。

模擬 QCD 的全部動(dòng)力學(xué)是一個(gè)遙遠(yuǎn)的目標(biāo)，但一些研究人員認(rèn)為，基于 qudit 的計(jì)算機(jī)提供了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最佳機(jī)會(huì)。在最近的一篇預(yù)印本中，Halimeh、Ringbauer 及其合作者提出了一種算法，該算法使用 qudits 來模擬強(qiáng)子的碰撞。研究人員希望模擬這一過程將揭示宇宙誕生時(shí)強(qiáng)子的形成方式。

相關(guān)鏈接：https://arxiv.org/abs/2507.12614

另一方面，Yang 認(rèn)為模擬仿真更適合理解復(fù)雜的夸克-膠子相互作用。2024 年 12 月，Yang、Halimeh 及其合作者使用銣原子模擬器來模擬夸克從結(jié)合態(tài)到未結(jié)合態(tài)的轉(zhuǎn)變。

相關(guān)鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-024-02702-x

從當(dāng)下的技術(shù)發(fā)展速度來看，或許數(shù)字與模擬量子模擬之間的二分法不會(huì)持續(xù)太久。

原文鏈接：https://www.quantamagazine.org/analog-vs-digital-the-race-is-on-to-simulate-our-quantum-universe-20250905/