作者小格伦·罗伯茨
劳伦斯·伯克利国家实验室 2018年的ATLAS粒子碰撞事件显示，显示质子碰撞产生的粒子喷雾(橙色线)和探测器读数(正方形和矩形)
信用:阿特拉斯协作 劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)的一组研究人员使用量子计算机成功模拟了高能物理实验中通常被忽略的粒子碰撞的一个方面，例如欧洲粒子物理研究所的大型强子对撞机
他们开发的量子算法解释了帕顿簇射的复杂性，这是碰撞中产生的复杂粒子爆发，涉及粒子产生和衰变过程
研究人员在2月26日在线发表的一项研究中指出，典型的用于模拟帕顿阵雨的经典算法，如流行的马尔可夫链蒙特卡罗算法，忽略了几个基于量子的效应
《物理评论快报》杂志上有10篇文章详细介绍了他们的量子算法
“我们基本上已经表明，你可以用有效的资源在量子计算机上进行部分子簇射，”克里斯蒂安·鲍埃尔说，他是理论小组组长，也是伯克利实验室物理部门量子计算工作的首席研究员，“我们已经表明，在经典计算机上很难描述某些量子效应，而在量子计算机上却可以描述
“鲍尔领导了最近的研究
他们的方法融合了量子和经典计算:它只对经典计算无法解决的粒子碰撞部分使用量子解决方案，并使用经典计算来解决粒子碰撞的所有其他方面
研究人员构建了一个所谓的“玩具模型”，这是一个简化的理论，可以在实际的量子计算机上运行，同时仍然包含足够的复杂性，使其无法用经典方法进行模拟
“量子算法所做的是同时计算所有可能的结果，然后选择一个，”鲍尔说
“随着数据越来越精确，我们的理论预测需要越来越精确
在某个时候，这些量子效应变得足够大，以至于它们实际上是重要的，“并且需要被解释”
在构建量子算法时，研究人员考虑了帕顿簇射中可能发生的不同粒子过程和结果，考虑了粒子状态、粒子发射历史、是否发生发射以及簇射中产生的粒子数量，包括玻色子和两种费米子的单独计数
鲍尔指出，量子计算机“同时计算了这些历史，并总结了每个中间阶段所有可能的历史”
研究小组使用了IBM Q约翰内斯堡芯片，这是一种拥有20个量子位的量子计算机
每个量子位或量子位能够代表一个0、一个1和一种所谓的叠加状态，在这种状态下，它同时代表0和1
这种叠加使得量子位比标准计算位更强大，标准计算位可以代表0或1
研究人员使用五个量子位构建了一个四步量子计算机电路，该算法需要48次运算
研究人员指出，量子计算机中的噪声可能是量子模拟器结果差异的原因
虽然该团队将量子计算应用于粒子对撞机数据简化部分的开创性努力是有希望的，但鲍尔说，他预计量子计算机在未来几年内不会对高能物理领域产生巨大影响——至少在硬件改进之前是这样
鲍尔说，量子计算机需要更多的量子位和更低的噪音才能取得真正的突破
“这在很大程度上取决于机器变好的速度
“但他指出，要做到这一点，需要付出巨大且不断增长的努力，现在就开始考虑这些量子算法，为即将到来的硬件进步做好准备，这一点很重要
这种技术上的飞跃是能源部支持的合作量子R&D中心的主要焦点，伯克利实验室是该中心的一部分，被称为量子系统加速器
随着硬件的改进，将有可能在量子算法中考虑更多类型的玻色子和费米子，这将提高其准确性
他说，这样的算法最终应该会在高能物理领域产生广泛的影响，也可以在重离子对撞机实验中得到应用
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