“玻色子”粒子模拟实验实现“量子飞跃”

谐振子是自然界中随处可见的现象，而科学家发现他们可以将玻色子系统当作谐振子系统来进行数据模拟实验。在量子力学中，谐振子的运动是用典型的波函数来进行描述的，而上图中就是几个（典型的）波函数。费米实验室的团队最近发现了一种在量子计算机上表示玻色子系统波函数的方法。

据美国“物理学网”（Phys.org）5月3日消息称，美国能源部下属的费米实验室（Fermilab）的科学家团队发现了一种实验方法，这种方法可以利用量子计算技术来对一种在物理层面上维系宇宙结构的基础相互作用进行建模运算。他们在去年9月12日发表于《物理评论快报》的一篇研究论文中表示，他们填补了一个利用量子计算机对亚原子世界进行建模的空白，而他们的研究对象是一类之前在量子模拟实验中被相对忽视的粒子——玻色子。

从今天的物理学中，我们知道，构成宇宙的基本粒子可以分为两组：一组是费米子（fermion），它是组成物质的基本粒子；另一组是玻色子（boson），它是对物质粒子起拖曳作用的场粒子。近年来，科学家成功开发了能对费米子系统进行数据运算实验的量子算法，然而，他们在玻色子系统上进行同类实验时却困难重重。

费米实验室的科学家Alexandru Macridin首次在通用量子计算机上找到了一种方法来模拟同时包含费米子和玻色子的系统，从而为亚原子领域的真实模拟实验打开了一扇大门。Macridin介绍道：“在以前的研究文献中，还从来没有人专门研究过量子计算中玻色子的表现。但是，这次我们的方法奏效了，而且比我们预期的要好。”

在量子计算的文献中，玻色子的研究相对薄弱，一是与玻色子本身的性质有关，二是与量子计算研究的演化路径有关。在过去十年，量子算法的发展主要集中在对纯粹的费米子系统的建模上，比如量子化学中的分子。费米实验室的科学家Jim Amundson解释道：“不过在高能物理学中，我们还有玻色子，并且高能物理学家对玻色子和费米子之间的相互作用特别感兴趣。于是，我们将现有的费米子模型扩展到能够包含玻色子。我们以一种新颖的方式实现了这一突破。”据他们说法，对玻色子进行建模的最大障碍与量子比特（qubit）自身的性质有关。

论文共同作者、费米实验室的理论家Roni Harnik指出：“关于如何将费米子映射到量子比特上，已经有了一套成熟的理论。”然而，对玻色子进行映射的程序相对复杂很多，部分原因在于玻色子态具有很强的适应性，这与受限制的、拥有两种选择的费米子态不同。

费米实验室所实现的这一手段是首个可以有效应用于通用数字量子计算机（universal quantum computer）的方法。对于费米实验室的粒子物理学家来说，下一步是用他们的方法来解决高能物理学中的问题。Macridin展望道：“在自然界中，费米子与玻色子的相互作用是基本物理效应；它们无处不在。现在，可以将我们的算法扩展到有关领域中的各种理论上了。”他们的这一成就已经翻越了粒子物理学的疆域，其他材料科学家也表示，这项研究工作将在可预见的未来帮助解决现实世界中的问题。

Amundson自豪地总结道：“我们用一种新的方式引入了玻色子，并且这种方式所需要的资源更少。这真正地开启了一个全新的量子模拟实验领域。”

科界原创  

编译：Jonathan 

审稿：阿淼 

责编：唐林芳 

期刊来源：《物理评论快报》

期刊编号：0031-9007

原文链接：

https://phys.org/news/2019-05-quantum-particle-simulation.html

版权声明：本文由科界平台原创编译，中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。转载请注明来源科技工作者之家—科界App。