量子模拟开始展现出宇宙的样貌

小型量子机器，宏大的宇宙雄心

在过去的一年里，一系列论文表明，可编程量子处理器现在已经能够重现简单量子场论的实时动力学——这些数学工具被用于描述粒子碰撞、早期宇宙的夸克-胶子汤，以及中子星内部的极端物质。虽然这些实验尚未重现完整的三维量子色动力学，但它们展示了可扩展的电路设计和误差缓解策略，将量子硬件推向了能够出现定性新现象的领域。

各研究团队在 IBM 量子云提供的商用超导设备上运行了散射实验和波包碰撞，使用的处理器以 IBM 系列中的研究测试平台和家族命名。这些运行规模从几十个量子比特延伸到一百多个量子比特，并依靠精心压缩的电路实现了数千个双比特门——这一时长足以在测量的可观测值中观察到碰撞后的物理现象浮现。

他们究竟模拟了什么？

最近的研究工作集中在简化但具有物理意义的模型上：一维格点规范理论和标量场论，这些理论抓住了粒子物理的关键过程。在这些设置中，研究人员准备了模仿入射粒子的局部波包，在相互作用场哈密顿量的作用下让它们随时间演化，然后读取碰撞后能量、电荷和粒子含量的扩散情况。实验结果包括弹性和非弹性散射、粒子产生，以及碰撞后的状态是离域还是保持局域化（这取决于模型中的可调参数）。

他们如何实现电路的规模化

两项技术举措使这些实验备受瞩目。首先，团队开发了紧凑的电路拟设（ansätze），用比单纯数字化所需少得多的量子门来表示真空态和局部激发。这些变分压缩技术和波包创建程序意味着，同样的逻辑模拟可以扩展到更大的晶格，而不会导致门数量的线性激增。其次，研究人员结合了用于制备纠缠 W 态的电路中途技巧、前馈步骤，以及精心选择的演化时间 Trotter 分解，从而达到了碰撞后的较晚时间点——即粒子产生和散射伤痕出现的窗口期。正是这些算法上的改进，使得在仅使用几十到几百个量子比特的情况下，仍能产生具有物理意义的信号。

设备现状：门、噪声与缓解

这些实验将目前的超导硬件推向了极限：实验报告称使用了数千个双比特门，双比特门深度达到几十到一百多。在这一规模下，纯粹的设备噪声会掩盖信号，因此团队层层应用了针对局部可观测值进行优化的误差缓解技术。其中一种方法——边缘分布误差缓解——从带有噪声的测量中重建低阶统计数据；其他方法则使用零噪声外推和算符重整化。通过在短至中等时间内将缓解后的结果与经典的矩阵乘积态模拟进行对比验证，各研究小组证明了量子硬件已经能够提供非平衡场动力学的忠实快照。

观测结果——早期宇宙与致密恒星的回响

尽管这些模型是低维的，但模拟重现了对于高能和天体物理背景至关重要的行为。运行结果显示了非弹性粒子产生——能量转化为场中的新激发——这一过程类似于高能碰撞中的粒子产生，从概念层面来看，也类似于炽热、致密的早期宇宙如何从能量中产生物质。在格点规范理论的运行中，团队可以调节拓扑参数（即所谓的 Θ 项）和费米子质量，使碰撞后的动力学在离域状态和具有明显局域残留的状态之间切换，这让人联想到粒子物理学中研究的禁闭和弦断裂效应。这些机制同样控制着重离子碰撞中的夸克结合和粒子多重性，并影响着中子星内部的状态方程。

为什么这很重要——以及它还不能做什么

经典方法虽然强大，但在处理某些实时量子问题以及远离平衡态的动力学时却显得力不从心。量子处理器天生就能演化量子态，因此它们为模拟随时间变化的过程提供了一条直接路径，而这些过程在经典机器上的计算成本呈指数级增长。最近的演示提供了原理证明：数字量子模拟器可以制备相互作用的波包，使它们发生散射，并读取非平凡的碰撞后特征；在经典预测存在的范围内，这些特征与预测一致，并延伸到了经典近似变得困难的领域。

即便如此，目前的实验还不是对真实中子星内部完整 QCD 或完整三维大爆炸等离体子的模拟。大多数运行使用的是截断的电场表示、缩减的空间维度或简化的规范群。接下来的步骤很明确：更好的量子比特、更长的相干时间，以及最终的纠错能力，以便电路能够表示物理相关能量下三维规范理论的完整希尔伯特空间。主要供应商的硬件路线图表明，在 2020 年代后期，正稳步迈向量子比特数量更多、误差更低的设备，以及用于纠错量子模拟的专用测试平台。

展望：从快照到实验

目前，该领域正在建立一种新型实验室。科学家们不再是围绕对撞机布置探测器，而是缝合出能重现场动力学的量子电路，然后通过针对性的测量来探测输出。目前的科学回报是双重的：首先，可以在可控模型中接触到定性的、非微扰的现象；其次，可以在算法设计和设备实验之间进行快速迭代，为真正的大规模模拟优化软硬件接口。

如果当前算法压缩、误差缓解和硬件规模化的趋势持续下去，在五到十年内，我们可以期待量子模拟能够为强子物理、致密物质天体物理和早期宇宙动力学中的定量问题提供参考——这不是为了取代加速器或望远镜，而是通过提供一种互补的、本质上属于量子的视角来观察那些经典计算无法洞察的过程。

结语

最近由 IBM 支持的实验尚未实现中子星核心或大爆炸全部高温等离子体的数字重建。它们所实现的是一个技术和概念上的里程碑：量子处理器现在已经能够模拟碰撞和碰撞后的场动力学，这在几年前还仅仅停留在理论阶段，而且这些快照已经带有了我们与宇宙最极端时刻相联系的复杂物理特征。随着硬件和算法的改进，这些快照将缝合在一起，形成关于极端条件下量子物质更长、更丰富的影片。