量子宇宙模拟竞赛开启：量子计算机可以模拟并阐明复杂物理现象

近期，在模拟和数字量子模拟方面都取得了进展，预示着量子计算机能够模拟——从而阐明——即使是功能最强大的超级计算机也无法处理的复杂物理现象的未来。

使用普通计算机创建对世界的真实模拟是不可能的。因而，模拟物理现实成为了量子计算机的原始、明确目的。在 1981 年，量子计算机因作为破解加密的潜在工具而声名鹊起之前很久，物理学家 Richard Feynman 就为如今价值数十亿美元的建造它们的工作打下了基础，他曾如此打趣道：“见鬼，世界不是经典的，如果你想要模拟它，你最好让它量子化。”

尽管量子计算机仍然体积小、功能简单，但现在已经足够先进，以至于物理学家们正在使用它们来模拟自然界的小部分。比如在奥地利的一场实验中，物理学家最近使用量子计算机模拟了电磁场的二维区域。他们在数字场中观察到了量子波动——粒子从无到有，又从有到无的对立现象。

而关于如何使用量子计算机进行研究，研究者们在不同的赛道上进行着竞速。

一些团队使用标准的量子计算机：这些可编程机器通过在量子比特或“量子位”之间诱导相互作用来执行算法。与普通比特不同，这些计算元素由量子对象组成，这些对象可以同时处于两种可能的状态，标记为 0 和 1。

其他团队，例如二维电磁场的创造者，使用基于量子数字或“量子比特”的量子计算机。这些量子对象可以存在于三种或更多可能的状态，因此可以编码更多信息。

还有其他团队使用模拟量子模拟器，它们用一个更容易构建的量子系统来模拟一个量子系统。这就像把模型飞机放在风洞中，以了解真实飞机的空气动力学。

量子对量子

模拟自然就是模拟量子场——充满宇宙的流体状实体。当能量扰动量子场时，它们会波动，这些波动就是基本粒子。量子场是宇宙中所有物质和力粒子的基础。

图示：用于模拟量子场动力学的谷歌量子处理器。

研究通过计算机模拟场和粒子的实时行为并非新鲜事。几十年来，学者们一直都是采用将量子场近似为离散的点阵来进行模拟。但即便绕过了真实分辨率的门槛，经典计算机模拟也依然遇到了瓶颈。

这要怪纠缠这种两个（或更多）粒子被“绑定”在一起，无论它们相隔多远，对其中一个粒子的测量结果都会立刻与另一个粒子相关联的现象。数学上，纠缠粒子必须集体描述。在一个包含许多相互作用的量子粒子系统中，它们相互依赖的数学描述很快就会变得复杂。

因此，经典量子粒子的模拟仅限于微小系统规模和低维空间。但量子计算机，由量子元件构建，其纠缠是固有的。它应对这些问题就相当得心应手起来。

新世代计算方式

数字量子计算机使用由原子或超导电路制成的量子比特存储信息，当量子比特相互作用时，它们可能会纠缠，这些交互可以编码计算。

奥地利的一支团队正在构建一台量子计算机，它使用的是qudits而不是 qubits——每个 qudits 有五种可能的状态。这种额外的可能性使得每个粒子可以存储更多信息，并减少复杂计算所需的步骤数量。团队的模拟中，逻辑由qubit 逻辑转换为 qudits 时，电路缩小了十倍。

该团队在 2016 年就完成了一维电磁场的模拟。近十年后，他们已成功扩展到二维，模拟了一个具有更丰富动态的电磁平面世界。

为了形成一个电磁场的正方形区域，他们使用了五个离子——四个位于角落，一个位于中心。不过，即使只有五个离子，团队也能凭借算法引发的夸克间的相互作用，检测到代表在模拟场中自发出现的粒子对的信号。

他们的成果发布在 2025 年 3 月的《Nature Physics》上，这是首次在二维中对粒子和它们的量子力场进行量子模拟，也是首次成功运行一个完整的 qudit 算法。

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41567-025-02797-w

但倘若是为了真正模拟自然，这些工作还不够，研究者需要扩大范围，进入到三维空间之中。

桌上的宇宙

关于如何进入到这种境界，研究者们各有各的想法。

使用模拟器，物理学家将感兴趣的量子系统映射到类似系统中，其中模型系统由冷却到几乎绝对零度的原子组成，量子效应占主导地位。

模拟方法的一个里程碑事件发生在 2020 年，当时中国深圳的实验物理学家Halimeh和 Bing Yang，以及合作者们发表了一篇关于一维量子电动力模拟的研究，使用了一个由 71 个钌原子组成的阵列。 尽管像这样的模拟器尚未扩展到两维，但已经属于相对接近的一批了。

然而，这个模拟不包括二维量子电动力学中存在的所有动力学。正如 Halimeh 在回应中指出的，它缺少一个磁场。对于量子模拟器来说，真正的价值在于强相互作用背后的场。

这种力将夸克和胶子结合在一起，形成质子和中子。描述它的量子场理论，称为量子色动力学（QCD），在数学上比电磁场理论复杂得多。但它可能关系到如何理解物质在极端条件下行为，以及如何创造新型奇异材料。

图示：QCD 概念图。

模拟 QCD 的全部动力学是一个遥远的目标，但一些研究人员认为，基于 qudit 的计算机提供了实现这一目标的最佳机会。在最近的一篇预印本中，Halimeh、Ringbauer 及其合作者提出了一种算法，该算法使用 qudits 来模拟强子的碰撞。研究人员希望模拟这一过程将揭示宇宙诞生时强子的形成方式。

相关链接：https://arxiv.org/abs/2507.12614

另一方面，Yang 认为模拟仿真更适合理解复杂的夸克-胶子相互作用。2024 年 12 月，Yang、Halimeh 及其合作者使用铷原子模拟器来模拟夸克从结合态到未结合态的转变。

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41567-024-02702-x

从当下的技术发展速度来看，或许数字与模拟量子模拟之间的二分法不会持续太久。

原文链接：https://www.quantamagazine.org/analog-vs-digital-the-race-is-on-to-simulate-our-quantum-universe-20250905/