自旋量子模拟器上介子波包的散射。图片来源：Elizabeth R. Bennewitz / 马里兰大学
物理学家对理解物理世界如何运作有着共同的兴趣。例如，当粒子物理学家将粒子分解成更小的碎片时，他们会问自己：这些是我们在自然界中能找到的最小的碎片吗？
多年来，理论物理学家在探索这些小粒子之间的相互作用时，一直局限于使用经典计算机，即处理 1 和 0 信息的计算机。由于量子计算机的强大功能可以同时编码 1 和 0 的多种可能组合，物理学家可以创建更大的模型，这些模型可能会解决理论物理学中一些最引人注目的难题。
然而，理论研究人员需要获得新的计算技术和强大的专家网络来支持这项新的科学工作。这就是 Quantum Systems Accelerator 的催化能量所在。
自 2020 年以来，美国能源部 （DOE） 国家量子信息科学 （QIS） 研究中心量子系统加速器 （QSA） 开发了跨主要技术的先进量子原型，以促进基础物理学对量子世界的开创性研究。
QSA 由劳伦斯伯克利国家实验室 （Berkeley Lab） 领导，桑迪亚国家实验室作为主要合作伙伴，汇集了由北美 15 个机构组成的生态系统。QSA 拥有 60 多名首席研究员、130 名工作人员、91 名博士后和 139 名学生，通过跨机构的共同设计来推进国家粒子物理学研究。
来自合作机构的两个 QSA 研究人员团队最近在更多地了解量子器件的亚原子量子世界框架方面取得了进展。
伯克利实验室和加州大学伯克利分校之间的一项合作，由研究人员 Anthony Ciavarella 和 Christian W. Bauer 领导，研究了夸克和胶子之间的动力学，胶子是构成每个原子核心的微小粒子。
他们发表的结果建立在 QSA 支持的先前研究的基础上。该作品在 arXiv 预印本服务器上发布。
他们创建了一个模型来了解这些粒子是如何结合在一起的（它们的核力）。他们还想知道量子计算机是否可以帮助他们理解如果夸克和胶子碰撞并分裂成更多对粒子会发生什么。
利用对这些亚原子关系的理论理解，研究人员构建了一个模型，将胶子映射到量子计算机的晶格上，这标志着该领域首次有人创建了这样的模型。
Ciavarella 和 Bauer 的模型将允许实验人员运行模拟并将这些结果与他们的实验数据进行比较。它还将帮助理论家获得实验结果，并逆向工作，为核模型创建更强大的理论基础。
“如果你想搜索产生希格斯玻色子的新物理事件，”Ciavarella 解释说，“你在 [粒子加速器] 中测量的内容看起来与只有夸克和胶子辐射的事件非常相似。
有一天，实验人员可以使用 Ciavarella 和 Bauer 模型的模拟来减小实验中背景噪声的大小并更清楚地解释结果。
多亏了 QSA，Ciavarella 和 Bauer 很快就可以在量子计算机上运行他们的模型。在研究人员撰写论文的同时，QSA 工作人员帮助他们与哈佛大学和麻省理工学院超冷原子中心的研究人员建立联系。哈佛大学小组一直在构建能够运行 Ciavarella 和 Bauer 提议的模拟的硬件类型。
Ciavarella 和 Bauer 目前正在与他们的同事合作，争取在今年秋天开始运行模拟。“一旦我们可以开始进行这些完整的模拟，”Ciavarella 解释说，“这应该会打开一组全新的实验性可观察对象，我们从未真正使用过这些可观察对象，因为我们从未能够为它们做出预测。
另一个多机构 QSA 团队一直在研究如何使用量子处理器来研究受量子色动力学 （QCD） 启发的模型。使用量子处理器研究粒子物理学中标准模型的理论是量子模拟的长期目标。
虽然当前的量子处理器尚未达到此功能，但研究人员已经开始考虑所需的步骤。马里兰大学的研究员和研究生伊丽莎白·本内维茨 （Elizabeth Bennewitz） 与其他团队成员合作开发了一种协议，用于理解由紧密结合的夸克组成的两个介子之间的相互作用。
Bennewitz 是第二篇文章的主要作者，作为预印本在 arXiv 服务器上发布，他是 DOE 计算科学研究生 （CSGF） 研究员，曾是伯克利实验室的实习生。作为一名理论家，Bennewitz 对探索介子碰撞时会发生什么感兴趣。
然而，在经典计算机上运行她的模拟限制了理论家可以在模型中研究的相互作用粒子的数量。她与合作者合作创建了一个协议，其中列出了构建模型的必要步骤，该模型将模拟介子的运动以及这些介子碰撞时会发生什么。
他们的协议将帮助实验人员填补空白，因为他们试图创建可以在量子设备上实现的工作模型。他们的工作展示了量子器件中可能出现的介子散射类型。通过识别介子散射的副产品，实验人员可以更好地解释他们的结果，区分不相关的数据（噪声）和必要的数据（信号）。
这项研究代表了使用量子处理器作为研究粒子物理学中量子现象的强大工具，并可能扩展物理学的标准模型。
“以这些新方式探索物理学有望带来物理学方面的发现，但也会影响材料科学和化学等其他领域，”Bennewitz 说。
与 Ciavarella 和 Bauer 一样，Bennewitz 的团队也受益于 QSA 的支持。QSA 合作伙伴的跨学科性质及其将不同领域的研究人员与相关合作者联系起来的能力让 Bennewitz 印象深刻。
“能够与量子模拟、高能和核物理学以及实验量子设备方面的专家真正密切合作是这项工作成为可能的原因之一，”Bennewitz 说。
两个 QSA 团队都表达了与新同事合作如何帮助他们考虑规划实验的新维度。
“当他们只是在实验室里查看实验时，一些事情对我来说可能并不明显，因为我自己从未直接在实验室里使用过设备，反之亦然，如何映射他们计算机上的问题。这是一种学习很多有趣事物的方式，“Ciavarella 说。
这些 QSA 研究人员的工作强调了量子模拟器作为研究几乎看不见的粒子物理学亚原子世界的工具的重要性。
通过将实验者和理论家聚集在一起，QSA 通过简化量子器件和工程解决方案的设计来继续促进研究。此外，QSA 为 Ciavarella 和 Bennewitz 等早期职业研究人员提供进行研究的基础设施和支持。
“有大量证据表明，对于某些类型的问题，在量子计算机和量子模拟器上研究这些模型应该更强大。借助量子模拟，我们可以以前所未有的方式揭示和探索粒子物理学，并希望找到新的物理学，“Bennewitz 说。
QSA 主任 Bert de Jong 认为，在未来十年，更多像 Bennewitz 这样的研究人员将采用量子计算机作为研究工具。
“我们在 QSA 团队中有一个高能物理团队，他们希望建立更好的理论来理解宇宙的基础组成部分，”de Jong 总结道。
更多信息：Anthony N. Ciavarella 等人，SU（3） 晶格杨米尔斯理论在大 N 中领先阶的量子模拟，arXiv （2024）。DOI： 10.48550/arxiv.2402.10265
Elizabeth R. Bennewitz 等人，在自旋量子模拟器上模拟介子散射，arXiv （2024）。DOI： arxiv.org/abs/2403.07061
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