贝利·贝德福德，联合量子研究所 俘获离子量子模拟器可能很快会提供新的手段来探索从夸克、胶子和其他自然界基本构件的复杂相互作用中产生的物质的性质
学分:A
肖和Z
达乌迪/马里兰大学 在核物理中，像许多科学一样，光有详细的理论并不总是足以解开可靠的预言
对于研究者来说，往往有太多的片段以复杂的方式相互作用，以至于无法遵循一个理论的逻辑，直到它结束
这也是自然界仍有如此多谜团的原因之一，包括宇宙的基本构件是如何结合并形成恒星和星系的
高能实验也是如此，在高能实验中，像质子这样的粒子以惊人的速度碰撞在一起，创造出类似于大爆炸后的极端条件
幸运的是，科学家们可以经常运用模拟来突破错综复杂的事物
模拟代表一个系统的重要方面，如飞机、城镇的交通流量或原子，作为另一个更容易访问的系统(如计算机程序或比例模型)的一部分
研究人员利用他们的创造力，使模拟比他们研究的令人生畏的课题(如质子碰撞或黑洞)更便宜、更快或更容易进行
模拟不仅仅是为了方便；它们对于处理这样的情况是必不可少的，既难以在实验中直接观察，又过于复杂，科学家无法从基本原理中梳理出每一个逻辑结论
各种研究突破——从模拟生命背后分子的复杂相互作用到预测最终允许识别希格斯玻色子的实验信号——都源于模拟的巧妙使用
但是传统的模拟只能让你走这么远
在许多情况下，模拟需要如此多的计算，以至于有史以来最好的计算机都无法取得有意义的进展——即使你愿意等一辈子也不行
现在，量子模拟器(利用叠加和纠缠等量子效应)有望在许多问题上发挥作用，这些问题拒绝屈服于建立在经典计算机上的模拟，包括核物理问题
但是要运行任何模拟，无论是量子的还是其他的，科学家必须首先确定如何在他们的模拟器中忠实地表现他们感兴趣的系统
他们必须在两者之间创建一个地图
计算核物理学家佐赫·达沃迪是马里兰大学(UMD)的物理学助理教授，他正与JQI的研究人员合作，探索量子模拟如何帮助核物理学家
他们正致力于在描述核物理基础的理论和实验室里组装的早期量子模拟器和量子计算机之间建立一些第一批图谱
“看起来我们即将进入利用量子力学的下一个计算阶段，”达乌迪说
“如果核科学家现在不进入这个领域——如果我们不开始把我们的问题转移到这样的量子硬件上，我们以后可能就赶不上了，因为量子计算发展很快
" 达乌迪和几个同事，包括JQI·费罗斯·克里斯·门罗和穆罕默德·哈菲兹，设计了他们制作地图的方法，着眼于与即将到来的量子技术的兼容性
在2020年4月8日发表在《物理评论研究》杂志上的一篇新论文中，他们描述了他们的新方法，以及它如何为研究人员探索创造新的模拟机会
门罗说:“目前还不清楚量子计算机将在哪些领域得到有效应用。”门罗也是UMD大学的物理学教授，也是量子计算初创公司IonQ的创始人之一
“一种策略是将它们部署在基于量子物理的问题上
在电子结构和核物理中，有许多方法对普通计算机来说是如此繁重，以至于量子计算机可能是一种进步
" 模式和控制 作为第一个目标，该团队将目光投向了晶格规范理论
规范理论描述了各种各样的物理，包括夸克和胶子的复杂舞蹈——核物理中的基本粒子
规范理论的晶格版本通过将所有粒子及其相互作用限制在有序的网格中来简化计算，就像棋盘上的棋子一样
即使有了这种简化，现代计算机在模拟密集的物质块或跟踪物质如何随时间变化时仍然会窒息
该团队认为，量子计算机可能会克服这些限制，并最终模拟更具挑战性的规范理论——如量子色动力学，它描述了将夸克和胶子结合成质子和中子并将它们作为原子核结合在一起的强相互作用
达乌迪和她的同事选择囚禁原子离子——门罗的专长——作为进行模拟的物理系统
在这些系统中，带电原子离子盘旋，每个离子都被周围的电场或磁场捕获
科学家可以设计这些场，以各种模式排列离子，用于存储和传输信息
对于这个提议，研究小组将注意力集中在被组织成一条直线的离子上
研究人员使用激光来控制每个离子及其与邻居的相互作用——这是创建有用模拟的基本能力
这些离子比吸引达乌迪的小粒子更容易接近
核物理学家只能梦想对原子中心的相互作用达到同样的控制水平
哈菲兹是UMD大学电子与计算机工程系和物理系的副教授，他说:“把一个问题扩大到微米级——这极大地提高了我们的控制水平。”
“想象你应该解剖一只蚂蚁
现在蚂蚁被拉伸到波士顿和洛杉矶之间的距离
" 在设计他们的地图制作方法时，研究小组着眼于用现成的激光能做什么
他们意识到，目前的技术允许离子捕捉器以一种新的、有效的方式设置激光器，允许同时控制每个离子的三种不同的自旋相互作用
哈菲兹说:“俘获离子系统自带一个工具箱来模拟这些问题。”
“它们的惊人之处在于，有时你可以回去设计更多的工具，并将其添加到盒子里
" 考虑到这个机会，研究人员开发了一个程序来制作具有两个理想特征的地图
首先，这些图最大化了离子阱模拟与理想晶格规范理论的匹配程度
其次，它们将模拟过程中出现的误差降至最低
在这篇论文中，研究人员描述了这种方法如何允许一维离子串模拟一些简单的晶格规范理论，不仅在一维，而且在更高维度
通过这种方法，离子自旋的行为可以被定制并映射到各种可以用晶格规范理论描述的现象上，例如从真空中产生物质和反物质
“作为一名核理论家，我很高兴能与在原子、分子和光学物理以及离子阱技术方面有专长的理论家和实验学家进一步合作，以解决更复杂的问题，”达沃迪说
“我解释了我的问题和我的系统的独特性，他们解释了他们系统的特性和功能，然后我们集思广益，讨论如何进行这种映射
" 门罗指出，“这正是量子计算的未来所需要的
这种为特定应用量身定制的设备的“协同设计”使该领域变得新鲜和激动人心
" 模拟vs
数字的 达乌迪和她的同事提出的模拟是模拟模拟的例子，因为它们直接表示一个系统中的元素和与另一个系统的相互作用
一般来说，模拟模拟器必须为特定的问题或一组问题而设计
这使得它们不如数字模拟器通用，数字模拟器有一套既定的离散构建模块，只要有足够的时间和资源，就可以组合在一起模拟几乎任何东西
数字模拟的多功能性已经改变了世界，但是一个设计良好的模拟系统通常没有数字模拟系统复杂
在量子计算机能够可靠地执行数字模拟之前，精心设计的量子模拟模拟可能会为某些问题提供结果
这类似于仅仅使用一个风洞而不是编程一台计算机来模拟风冲击从一只鹅到一架实验战斗机的一切的方式
门罗的团队与合著者吉多·帕加诺(Guido Pagano)合作，他是前JQI博士后研究员，现在是莱斯大学的助理教授，正在努力在未来几年内实施新的模拟方法
完整的系统应该能够模拟各种晶格规范理论
作者说，这项研究只是一条更长道路的开始
由于晶格规范理论在数学上与其他量子系统相似，研究人员乐观地认为，他们的提议将在核物理之外找到用途，比如在凝聚态物理和材料科学中
达乌迪还与门罗和另一位JQI研究员诺伯特·克林合作开发数字量子模拟方案
她希望这两个项目将揭示每种方法的优缺点，并为研究人员如何利用量子计算的全部力量解决原子核物理问题提供见解
“我们希望最终模拟更复杂性质的理论，特别是量子色动力学，它是自然界强大力量的原因，”达沃迪说
“但这可能需要更多跳出框框的思考
"
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
