别了Qubit！“Qudit”量子计算机成为模拟粒子互动新利器

近期怀抱模拟基本粒子互动梦想的加拿大滑铁卢大学（University of Waterloo）量子研究员Christine Muschik旗下团队，与长久致力打造“Qudit”量子计算机的奥地利因斯布鲁克大学（University of Innsbruck）实验物理学家Martin Ringbauer带领团队携手合作，破天荒完成了前所未有的创举：首次以量子计算机成功在二维空间模拟同时包含粒子与场的“规范理论”（gaugetheories）。

当前科学家以“规范理论”来解释粒子互动背后的无形作用力，这些理论描述了粒子之间如何通过交换携带力的粒子进行互动，进而塑造了我们对物质最佳理解的基础。

长久以来，粒子物理学界一直想要尝试在计算机上研究规范理论并模拟粒子的互动，但这并非一件容易的事。因为这些粒子的运行规则并不符合日常逻辑，它们受到量子力学的支配，身处其中的事件同时存在多种状态，粒子的出现和消失，这一切全与纠缠现象有关。这样的复杂特性，即使以超级计算机来模拟量子系统也是困难重重。

当前科学家正尝试以全新的“Qudit”量子计算机来解决上述难题，因为不论是传统计算机还是量子计算机都无法突破以0或1来处理资讯的框架。虽然量子计算机可以让0与1处于“叠加态”（superposition），因而有了Qubit的出现，但基本上仍不脱二进制的基本框架。

面对象是在量子场论中模拟即时动态，抑或理解超致密物质形态等棘手的物理问题，当前Qubit量子计算机仍然无法胜任。由于这类问题常涉及费米子“符号问题”（sign problem），使得数值模拟变得极不稳定或极不可靠，几乎无法用传统方法解决。也因为如此，全新的Qudit量子计算机应运而生。

为了突破Qubit只以两个能阶来编码的先天限制，两大学团队先从“Qutrit”开始将量子资讯的基本单位扩展为三个能阶，然后再进展到可以存储更多能阶（3～5个，甚至更多）的Qudit，这有点像是把简单的电灯开关，换成一个具有多段调整功能之调光器的味道。

这种额外的弹性，让量子计算机在模拟规范场（gauge field）时更具优势，因为这些场本来就存在于更高维度的空间中。像是电场和磁场这类的规范场，并不适合用二进制系统来简单表示。通过Qudit，科学家能够更直接、也更有效率地模拟这些复杂的场。

这次研究的焦点是二维空间中的量子电动力学（Quantum ElectroDynamics in two dimensions，2D-QED），它是描述光与物质互动理论的简化版。在实验中，他们构建了一个简化版的空间模型，他们在其中通过采用离子阱（Trapped Ion）技术的Qudit量子处理器，来模拟粒子与规范场的行为。由于每个离子能够表示超过两种状态，这使得模拟能以更少的资源呈现更多的细节。

最值得一提的是，研究团队借此能够观测到粒子之间的磁场，这可是传统一维空间模拟中无法看到的一项关键突破。研究论文第一作者Michael Meth表示，他们的方法让量子场能以自然的方式表示，因而让运算效率大增。

之前研究团队曾在一维空间中展示如何在量子模拟中产生粒子与反粒子，如今他们已进入真正的二维空间，展示出更丰富、更真实的物理现象。Muschik表示，消除了过去模拟上的限制，可说是使用量子计算机理解基本粒子互动的关键一大步。

除了上述突破，该研究还完成了几项成果，包括他们大幅减少了量子电路所需的步数，并将电路复杂度改善了一个数量级，这让当前仍然十分脆弱而且巴不得操作次数愈少愈好的量子硬件，能够获得更可靠的模拟结果。此外，研究团队还展示了如何通过调整Qudit能阶数来影响模拟的精确度，这无疑成为一个能在性能与模型物理细节之间取得平衡的强大工具。

或许今后量子物理世界奥秘的探索之旅，不再依赖建造更大的粒子加速器，而是全面采用突破0与1框架的Qudit量子计算机。

（首图来源：University of Innsbruck）