量子电路进一步揭示物质起源之谜

上周，一类新型可扩展量子电路的演示重新燃起了人们的希望，即量子计算机将很快解决宇宙学中最棘手的难题之一：为什么宇宙中的物质远多于反物质。实验团队展示了如何在超过 100 个量子比特上制备一个简单量子场论的低能真空态，并以此为跳板进行了在经典机器上极其困难的动力学模拟。这项进展本身并未解开物质起源之谜，但它为实现baryogenesis（重子生成）理论所需的实时计算提供了一条切实可行的路径。

这项工作引入了一个名为 SC-ADAPT-VQE（全称为可扩展电路 ADAPT-VQE）的算法框架，并利用该框架在超导量子处理器的 100 个量子比特上制备了晶格 Schwinger 模型（量子电动力学的一维类比）的真空态。通过利用局域性和有能隙基态中相关性的指数级衰减，作者利用经典计算在小型系统上构建了一组紧凑的电路构建块，然后通过平铺这些构建块来为更大的寄存器构建电路。在应用了一种新型的误差抑制步骤后，他们测量到的观测值与高精度经典模拟的结果匹配，误差在百分级以内。

为什么玩具模型很重要

乍一看，Schwinger 模型——电动力学的 1+1 维版本——似乎与早期宇宙完整、复杂的物理过程相去甚远。但它捕捉到了几个量子场论的核心特征，使其成为一个有用的试验场：强场产生的粒子、类禁闭行为，以及对手性和反常驱动过程敏感的手性凝聚动力学。这些相同的现象在更复杂的形式下，是许多试图解释宇宙微波背景中测得的微小重子过剩的baryogenesis方案的核心。由于经典方法难以处理实时演化和非平衡过程，能够制备和演化真空态的数字quantum simulation（量子模拟）是一个重要的方法论进步。

算法改变了什么

长期以来，两个实际障碍一直阻碍着此类模拟。首先是态制备：如何将量子计算机初始化为一个能忠实代表场论真空的低能态。其次是硬件噪声：目前的量子设备噪声较大且规模有限。SC-ADAPT-VQE 策略通过在适度的晶格上使用经典模拟设计电路片段，然后在更大的寄存器上重复这些片段来解决第一个问题；这避免了在噪声设备上进行昂贵的变分优化。针对第二个问题，团队引入了一种名为算子退相干重整化的误差抑制协议，尽管存在不完美的量子门，该协议仍能提取有意义的物理观测值。这些技术结合在一起，使研究人员能够以晶格规范场论此前从未演示过的规模和保真度来探索动力学过程。

这如何与baryogenesis联系起来

前景与实际限制

明确什么是新技术，什么仍遥不可及至关重要。Schwinger 模型是一个强大的测试平台，但它不是完整的 3+1 维 QCD 或完整的电弱理论；重子生成的关键要素——例如标准模型中 CP 破坏的详细结构、多维 sphaleron 动力学，以及场与膨胀宇宙背景的耦合——尚未体现出来。扩展到现实的电弱或 QCD 模拟将需要多出几个数量级的量子比特、更强的连通性，以及最关键的，鲁棒的量子纠错或大幅改进的误差抑制。简而言之，该实验展示的是一种有用的工具，而非已经解决的宇宙学问题。

路线图：从玩具演示到宇宙学级模拟

• 更保真的规范场论：研究人员将把同样的电路设计理念推向更高维度的晶格规范场论和非阿贝尔群，这些更接近 QCD 和电弱部门。
• 实时、非平衡动力学：下一个目标是模拟显式产生不对称性的过程——例如，随时间变化的 CP 破坏背景或模拟相变的受热淬火。
• 硬件扩展与纠错：要达到宇宙学级的预测，将需要容错机器，或者在噪声和门保真度方面实现几个数量级的提升。
• 跨学科验证：量子模拟需要与连续谱方法、有效理论以及来自粒子和精密物理实验的实验约束进行严密对比，以确保它们探测的是物理相关的范畴。

所有这些步骤都是活跃的研究领域。最近的演示表明，算法创意——特别是利用物理局域性构建可扩展电路的方法——可以比此前认为的进一步拓展当前硬件的能力。它还强调了进步将是迭代的：映射和算法的理论开发、近期设备上的中小规模演示，以及最终迁移到纠错平台。

为什么科学家应该关注

有两个原因需要密切关注这一领域。首先，对量子场进行受控的、第一性原理实时模拟的能力，为此前很大程度上处于推测阶段的非微扰过程开启了新的经验窗口。其次，所演示的技术——可扩展电路设计和定制的误差抑制——广泛适用于动力学至关重要的凝聚态、核物理和材料问题。换句话说，直接的收益是方法论上的：可以应用于整个物理领域的更好工具。远期收益——即通过从头算quantum simulation来解决宇宙如何选择物质而非反物质的问题——仍然是终极大奖，而这项工作使这一遥远的目标又近了切实的一步。

就目前而言，核心结论既谦逊又至关重要：量子计算机已在一类场论问题上从“好奇尝试”转向了“胜任处理”。它们最终是否能解释物质的起源仍是一个悬而未决的问题，但研究人员现在有了一条更清晰的道路，可以通过受控的计算而非笼统的论证来解决这一问题。

James Lawson 是 Dark Matter 的科技记者，专注于量子计算、粒子物理和空间系统。他拥有伦敦大学学院 (University College London) 的科学传播硕士学位和物理学学士学位。