新量子算法模拟高能粒子碰撞过程

高能粒子模拟示意图。（ShutterStock）

美国能源部伯克利国家实验室（LBNL）一个研究组设计了先进的量子算法，并在现有有限规模的量子电脑硬件上成功模拟了“帕顿淋浴”（parton showers）的高能粒子对撞过程。

“帕顿淋浴”物理过程产生复杂的粒子，传统电脑算法无法完全模拟。2月10日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）的研究展示了这套新式的量子算法。

伯克利实验室的物理研究员鲍威尔（Christian Bauer）说：“我们实际上展示了可以通过有限的资源，在量子电脑上实现‘帕顿淋浴’过程。一些在传统电脑上无法描述的量子效应，我们可以在量子电脑上模拟。”

这份研究把量子和传统电脑结合使用，只针对传统电脑无法模拟的量子因素使用量子方案，仍然使用传统电脑解决粒子碰撞的其它因素。

鲍威尔介绍说：“量子算法同时计算所有可能的结果，然后选择一种，随着数据量的增大和精确度的提升，我们的理论模型的精确度也要不断增加，到了某个临界点，量子效应的因素变得很重要。”

他们的量子算法考虑了“帕顿淋浴”可能出现的不同的碰撞过程和结果，考虑了包括粒子状态、放射历史、是否出现过辐射、产生的粒子总量等因素。

这份研究使用的是IBM的Q Johannesburg量子芯片，具有20个量子比特。现在的量子电脑硬件都处在雏形的阶段。

鲍威尔说，这项研究尝试使用量子电脑模拟复杂的粒子碰撞过程，看起来效果不错。可是，要想让量子电脑真正在模拟粒子碰撞领域展现出色的能力，还要等到真正大规模的量子电脑硬件的诞生。

“但是在等待量子电脑硬件发展的同时，很重要的是，我们开始思考各种量子算法，为将来的应用做好准备。”鲍威尔说，这种量子算法最终将在高能物理研究领域有着广泛的用途。