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量子计算机模拟幽灵粒子 再现宇宙情景

时间:2018-09-20 08:12供稿单位:织梦58打印字号:

  

  奥地利科学家利用一台量子计算机模拟真空中基本粒子对的形成过程。

  新浪科技讯 北京时间6月29日消息,据国外媒体报道,量子力学认为,在看似空空荡荡的宇宙真空区中,其实充满了无数幽灵般的粒子,它们在存在与不存在两种状态之间反复变化。近日,奥地利科学院科学家首次利用量子计算机模拟出这些所谓的虚拟粒子。研究人员认为,这一成果将有助于科学家探索宇宙之谜,从中子星的内核到宇宙大爆炸后呈现最初情景。

  量子力学表明,在微观层面宇宙是一个模糊的、超现实世界。比如,原子和其它粒子可以以一种“叠加”状态存在,它们看起来可以同时以相反的方向高速旋转,而且它们还可以互相纠缠,即无论它们之间距离有多么远都可以互相影响。量子力学还认为,虚拟粒子对包括一个粒子和一个反粒子,它们可以在看似真空区忽隐忽现,并会影响周围的环境。

  量子力学是现代粒子物理学标准模型的基础,而标准模型可以用来解释所有已知基本粒子的行为,比如电子、质子等。然而,还有许多未解之谜标准模型仍然无法解释,比如暗物质、暗能量等,因为所有这些天文学家都无法直接探测到,但是可以根据它们的引力效应进行合理推测。基本粒子之间的相互作用通常可以用所谓的“规范理论”来进行描述。但是,传统计算机的计算能力根本无法用于模拟“规范理论”所提出的粒子实时动态。因此,科学家开始考虑采用量子计算机。

  奥地利科学院量子光学与量子信息研究所理论物理学家克里斯廷-穆斯奇克介绍说,“我们采用量子计算机将有助于更好地理解自然界基本组成部分之间的相互作用。”传统的计算机采用“0”与“1”二进制信息单位来代表数据,即比特,而量子计算机则采用量子比特。量子比特也是处于叠加状态,因此一个量子比特可以同时运行两项计算。从理论上讲,在解决某些特定问题时,量子计算机比传统计算机要快得多,因为量子计算机可以同时分析每一种可能的解决方案。

  科学家采用四种电磁束缚钙离子研制了一台量子计算机,然后再通过激光脉冲操控这四个量子比特。他们利用这台量子计算机模拟真空中虚拟粒子的忽隐忽现行为,其中每一个量子比特对代表一个虚拟粒子对,特别是指电子与正电子。研究人员介绍说,激光脉冲主要是用来模拟真空中强大的电磁场是如何生成虚拟粒子的。奥地利科学院量子光学与量子信息研究所物理学家莱纳尔-布拉特介绍说,“这是束缚离子量子计算机所执行的最复杂试验之一。”

  试验表明,量子计算机可以模拟高能物理现象,从而呈现在地球环境中难以形成的高能状态下粒子的行为。研究团队成员、奥地利因斯布鲁克大学物理学家伊斯特班-马丁内斯认为,“试验量子计算机技术发展很快,很多人还搞不清楚,一台小型量子计算机究竟能起什么作用。与其它方面的应用不同,你不需要数百万的量子比特来完成这些模拟工作,十来个足以解决传统方式无法解决的问题。”科学家们采用量子模拟器所分析的问题非常简单,传统的计算机也可以计算出结果。但试验结果表明,量子模拟器的分析结果与预测的结果高度一致,精确度非常高。这表明,未来量子模拟器不仅仅可以用来解决“规范理论”中更加复杂的问题,甚至还可以取得新的发现成果。

  穆斯奇克表示,“我们的试验是未来发展下一代量子模拟器这一长期目标的第一步。”从理论上讲,桌面量子模拟器将有助于模拟超高能物理学现象,如今这些任务都依靠非常昂贵的粒子加速器来完成的,比如大型强子对撞机。研究团队成员、奥地利科学院量子光学与量子信息研究所物理学家彼得-佐勒认为,“这两种技术可以实现完美互补。我们不能替代现有的粒子加速器的角色,但是通过发展量子模拟器,我们可以更好地理解粒子加速器的试验成果。”

  布拉特表示,“此外,我们还可以利用量子模拟器来研究新的领域,比如研究粒子对形成过程中的粒子纠缠问题,这在粒子加速器中是不可能实现的。”穆斯奇克认为,“最终,量子模拟器还可以帮助科学家模拟中子星内部动态,或研究早期宇宙高能状态下的相关问题。”

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