理论物理学

第一个粒子物理问题的量子模拟

已经使用量子计算机来描述颗粒 - 非颗粒对真空的外观现象。

肖恩百事可数
观点'在空洞D中创作的艺术家'粒子 - 抗粒子。

1982年,美国物理学家理查德·费曼指出了学习性质的难度:“自然不是经典的,瘦弱,如果你想模拟大自然,就有必要使用量子力学,我向你保证C'是一个精彩的问题,因为它远离简单。 » 令人敬畏的有远见点 因此建议使用量子,更简单和可控系统来研究他人。从那时起,Quantum模拟器已经经历了许多进展,但是,来自奥地利因斯布鲁克大学的一支物理学家团队,使用了仅由四个钙离子组成的“量子计算机”来模拟高处涉及物理学的过程能量颗粒,即粒子 - 抗粒子的产生。

许多量子模拟器项目已经在冷凝材料物理设备中进行。但是,在20世纪60年代 - 1970年开发的标准模型中描述的高能量粒子物理的情况具有额外的难度。该模型基于所谓的仪表理论,这对Quantum模拟器的实现产生了强烈的限制。

这些模拟器的实现是一项挑战,但它们对研究标准模型非常有用。近几十年来,它已成功测试,特别是在该理论提供的粒子的发现,如 希格斯的培斯顿,它的存在于2012年被证实,归功于LHC。但是,该理论的许多方面仍然待探索。但是一些计算太复杂,无法在传统的计算机上进行,而LHC实验无法回答所有问题。

但为什么标准模型中的一些计算复杂?后者的心脏是“衡量理论”。 量子电动力学 (QED),最简单的,描述了量子框架中的电磁,而量子色动力学(QCD)描述了强烈的相互作用, 它绑定夸克,构成质子和中子,通过介导颗粒,胶合。量子色动力学的数学结构比量子电动力学的数学结构更富有,并且计算均更复杂。一些QCD问题仍未得到答复,包括监禁的概念,这希望夸克不能被孤立(它们总是乘三个,如质子或中子,在介子的一对夸克古克,甚至更复杂的组合 五角形

用于规避这些计算困难的轨道是 网络QCD.,1974年由物理学家Kenneth Wilson提出。该方法是根据其网格具有给定基本长度的4D网络来离散空间时间。然后,QCD可以在由统计物理学产生的形式主义中表达,并且计算在计算机上可能成为可能。通过经过验证的方法,将网格的长度张紧至零以找到连续时空的物理情况。如果该方法具有许多成功,则一些计算仍然难以使用经典计算机执行。

因此,Feynman Quantum模拟器的想法可以在这里是一个很棒的帮助。但很难实施。 量子计算机领域已经取得了许多进展但物理学家尚不知道掌握具有大量原子的量子系统。尽管有这些困难,但许多研究人员在量子计算机上融化了很多希望。由于信息在量子或Qubit比特中编码,因此可以采用众多状态,而不仅是传统计算机的两个状态(0或1)位, 这些量子计算机将比经典计算机更快地执行一些计算.

然而,今天在该领域获得的经验允许设计具有减少数量的原子(超粒子,电磁疏水阀等)的量子计算机。 Rainer Blate团队和彼得ZOLLER设计了这样一种装置,其中四个钙离子在电磁陷阱中对齐。它们模拟了一个简单的QED版本,具有单一的空间:Schwinger模型,描述了外部电场中的粒子非粒子对的外观和消失。每个离子的表现类似于量子位,或量子,在两个能量状态(对应于QED中的电子的存在或不存在)之间。激光器模拟空隙中的电磁场。由激光激发的离子发射荧光辐射,其被解释为颗粒或抗粒子的产生。通过修改激光器设置,研究人员控制离子之间的相互作用,从而能够研究Schwinger模型中对创建过程的动态。然后将这些措施与理论预测成功相比。 Quantum Simulator忠实地再现了预期的行为. 模拟理论相对简单,但它允许更加迷人Blatter,Peter Zoller及其同事表明,它们的量子模拟器根据理论执行结果。

此经验为未来项目开辟了许多观点。这个想法将首先在QED中产生具有两三个维度的系统,以查看更复杂的相互作用。然后模拟像QCD这样的模型。纸上已经提出了许多设备。随着寒冷原子和捕获离子领域的技术进步,这种方法可能会经历快速增长。此外,这种技术实际上与诸如LHC等煤机中的经验互补。事实上,在其经验中,Innsbrück团队还研究了含有从真空中出现的两种颗粒的性质的量子现象,在LHC实验中研究了更困难的现象。

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