摘要：对基本颗粒和力的研究对于我们对宇宙的理解至关重要。现在，一组物理学家展示了一种非常规类型的量子计算机如何为基本颗粒世界打开新的门。...

粒子物理学的标准模型是构成我们世界的基本粒子和力的最佳理论：颗粒和反粒子（例如电子和正电子）被描述为量子场。它们通过其他力场相互作用，例如结合带电颗粒的电磁力。

为了了解这些量子场的行为以及我们的宇宙，研究人员对量子场理论进行了复杂的计算机模拟。不幸的是，即使是我们最好的超级计算机，这些计算中的许多计算也太复杂了，并且对量子计算机也构成了巨大的挑战，因此许多紧迫的问题尚未解决。

Martin Ringbauer在Innsbruck大学的实验团队以及由IQC的Christine Muschik在加拿大滑铁卢分校的Christine Group领导的理论小组中使用了一种新颖类型的量子计算机。自然物理学他们如何成功地模拟了一个以上的空间维度的完整量子场理论。

量子场的自然表示

使对量子计算机挑战的量子场理论模拟的症结源于捕获代表粒子之间力的场（例如带电颗粒之间的电磁力）的磁场。这些领域可以指向不同的方向，并具有不同程度的强度或激发。此类对象并不整齐地融入基于零和一个的传统二进制计算范式中，这是当今经典和量子计算机的基础。

通过结合qudit在因斯布鲁克开发的量子计算机以及一种Qudit算法，以模拟滑铁卢开发的基本粒子相互作用。这种方法基于每个量子信息载体最多使用五个值，而不仅仅是零和一种值来有效存储和处理信息。这样的量子计算机理想地适合在粒子物理计算中代表复杂量子场的挑战。该研究的主要作者Michael Meth解释说：“我们的方法可以自然地表示量子场，从而使计算效率更高。”这使团队能够在两个空间维度上观察量子电动力学的基本特征。

粒子物理的巨大潜力

在2016年，在因斯布鲁克（Innsbruck）展示了粒子 - 抗粒子对的创建。克里斯汀·穆奇克（Christine Muschik）说：“在演示中，我们通过限制粒子在线上移动来简化了问题。删除此限制是使用量子计算机了解基本粒子相互作用的关键步骤。”现在，团队在两个空间维度上展示了第一个量子模拟：“除了颗粒的行为外，我们现在还看到它们之间的磁场，只有在粒子不限于在线上移动并使我们更接近研究性质的一步之后，这种磁场才能存在。”

关于量子电动力学的新工作仅仅是开始。只有几个Qudits不仅可以将当前的结果扩展到三维模型，而且还可以将当前的结果扩展到强大的核力量，后者将原子融合在一起，并包含许多物理学的剩余谜团。 Ringbauer热情地说：“我们对量子计算机的潜力有助于研究这些引人入胜的问题感到兴奋。”

这项研究得到了奥地利科学基金（FWF），奥地利联邦教育，科学与研究部，奥地利研究促进局（FFG），欧盟和加拿大第一研究卓越基金的经济支持。