加速器研究推动量子研究进入更高的能量轨道
物理学家对理解物理世界如何运作有着共同的兴趣。例如，当粒子物理学家将粒子分解成更小的碎片时，他们会问自己：这些是我们在自然界中能找到的最小碎片吗?
多年来，理论物理学家在探索这些小粒子之间的相互作用时，一直局限于使用经典计算机，即以1和0处理信息的计算机。借助量子计算机的强大功能，物理学家可以同时对1和0的众多可能组合进行编码，从而创建更大的模型，这些模型可能会解决理论物理学中一些最引人注目的难题。
然而，理论研究人员需要掌握新颖的计算技术和强大的专家网络才能开展这项新的科学研究。这正是量子系统加速器的催化能量发挥作用的地方。
自2020年以来，美国能源部(DOE)国家量子信息科学(QIS)研究中心量子系统加速器(QSA)已经开发了跨主要技术的先进量子原型，以促进基础物理学在量子世界的开创性研究。
QSA由劳伦斯伯克利国家实验室(BerkeleyLab)牵头，桑迪亚国家实验室是主要合作伙伴，它汇集了北美15家机构的生态系统。QSA拥有60多名首席研究员、130名员工、91名博士后和139名学生，通过跨机构联合设计推动国家粒子物理研究。
来自合作机构的两支QSA研究团队最近在利用量子设备进一步了解亚原子量子世界的框架方面取得了进展。
由研究员AnthonyCiavarella和ChristianW.Bauer领导的伯克利实验室和加州大学伯克利分校的一项合作研究了夸克和胶子(构成每个原子核心的微小粒子)之间的动态。
他们发表的成果以QSA支持的先前研究为基础。该成果已在arXiv预印本服务器上发表。
他们创建了一个模型来理解这些粒子是如何结合在一起的(它们的核力)。他们还想知道量子计算机是否能帮助他们理解如果夸克和胶子碰撞并分裂成更多粒子对会发生什么。
研究人员利用对这些亚原子关系的理论理解，建立了一个将胶子映射到量子计算机晶格上的模型，这是该领域首次创建这样的模型。
Ciavarella和Bauer的模型将允许实验人员进行模拟并将这些结果与他们的实验数据进行比较。它还将帮助理论学家利用实验结果，并通过逆向推导为核模型创建更强大的理论基础。
“如果你想寻找产生希格斯玻色子的新物理事件，”西亚瓦雷拉解释说，“你在粒子加速器中测量到的结果与只有夸克和胶子辐射的事件非常相似。”
有一天，实验者可以利用Ciavarella和Bauer模型的模拟来减少实验中的背景噪音的大小，并更清楚地解释结果。
得益于QSA，Ciavarella和Bauer很快就能在量子计算机上运行他们的模型。在研究人员撰写论文期间，QSA工作人员帮助他们与哈佛大学和麻省理工学院超冷原子中心的研究人员取得联系。哈佛大学的研究小组一直在构建能够运行Ciavarella和Bauer提出的模拟的硬件。
Ciavarella和Bauer目前正在与同事合作，计划于今年秋季开始进行模拟。“一旦我们开始进行这些完整的模拟，”Ciavarella解释道，“这将开启一整套全新的实验观测数据，我们以前从未真正研究过这些数据，因为我们从未能够对它们做出预测。”
另一个由多机构组成的QSA团队一直在研究如何使用量子处理器来研究受量子色动力学(QCD)启发的模型。使用量子处理器研究粒子物理学标准模型的理论是量子模拟的长期目标。
虽然目前的量子处理器尚未达到这种能力，但研究人员已经开始考虑所需的步骤。马里兰大学研究员兼研究生伊丽莎白·本内维茨(ElizabethBennewitz)与其他团队成员合作开发了一种协议，用于了解由紧密结合的夸克组成的两个介子之间的相互作用。
Bennewitz是第二篇文章的首席作者，该文章以预印本的形式发布在arXiv服务器上，他是美国能源部计算机科学研究生(GF)研究员，曾是伯克利实验室实习生。作为一名理论家，Bennewitz对探索介子碰撞时会发生什么很感兴趣。
然而，在传统计算机上运行她的模拟会限制理论学家在模型中研究的相互作用粒子的数量。她与她的合作者一起创建了一个协议，列出了构建一个模型的必要步骤，该模型将模拟介子的运动以及这些介子碰撞时会发生什么。
他们的协议将帮助实验者填补空白，因为他们试图创建可以在量子设备上实现的工作模型。他们的工作展示了可能出现在量子设备中的介子散射类型。通过识别介子散射的副产品，实验者可以更好地解释他们的结果，区分无关数据(噪声)和重要数据(信号)。
这项研究代表着朝着使用量子处理器作为有力工具来研究粒子物理学中的量子现象并可能扩展物理学标准模型迈出了一步。
“以这些新方式探索物理学有望带来物理学方面的发现，同时也能影响材料科学和化学等其他领域，”本内维茨说。
与Ciavarella和Bauer一样，Bennewitz的团队也受益于QSA的支持。QSA合作伙伴的跨学科性质及其将不同领域的研究人员与相关合作者联系起来的能力令Bennewitz印象深刻。
“能够与量子模拟、高能和核物理以及实验量子设备领域的专家密切合作是这项工作得以完成的原因之一，”Bennewitz说。
两个QSA团队都表达了与新同事合作如何帮助他们考虑实验规划的新维度。
“当他们只是在实验室里观察实验时，他们可能很容易理解一些事情，但对我来说可能并不明显，因为我自己从来没有直接在实验室里作过设备，反之亦然，不知道如何在他们的电脑上绘制问题。这是一种了解很多有趣事物的方法，”Ciavarella说。
这些QSA研究人员的工作强调了量子模拟器作为研究几乎看不见的粒子物理亚原子世界的工具的重要性。
通过汇集实验者和理论家，QSA继续通过简化量子设备和工程解决方案的设计和促进研究。此外，QSA还为Ciavarella和Bennewitz等早期职业研究人员提供开展研究的基础设施和支持。
“有大量证据表明，在量子计算机和量子模拟器上研究这些模型对于解决某些类型的问题应该更有用。借助量子模拟，我们可以以前所未有的方式揭示和探索粒子物理学，并有望发现新的物理学，”Bennewitz说。
QSA主任BertdeJong相信，在未来十年，会有更多像Bennewitz这样的研究人员将使用量子计算机作为调查工具。
德容总结道：“QSA团队中有一个高能物理团队，他们希望建立更好的理论来理解宇宙的基本构成要素。”