勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)的一組研究人員使用量子計算機成功地模擬了高能物理實驗中通常忽略的粒子碰撞的一個方面，例如歐洲核子研究中心的大型強子對撞機。

他們開發的量子演算法解釋了部分粒子簇的複雜性，部分粒子簇是在粒子產生和衰變過程的碰撞中產生的複雜粒子爆發。

“我們基本上表明你可以把帕頓淋浴與高效的量子計算機資源,“Christian Bauer說,誰是組長理論和量子計算作為首席研究員在伯克利實驗室的物理學部門的努力,“我們有一些量子效應表明,很難描述在經典計算機,你可以描述量子計算機。”鮑爾領導了最近的研究。

他們的方法結合了量子計算和經典計算:量子計算僅用於經典計算無法解決的部分粒子碰撞，而經典計算用於解決粒子碰撞的所有其他方面。

研究人員構建了一個所謂的“玩具模型”，這是一種簡化的理論，可以在實際的量子計算機上執行，同時仍然包含足夠的複雜性，使經典方法無法模擬它。

“量子演算法所做的就是在同一時間計算所有可能的結果，然後選出一個，”Bauer說。“隨著資料越來越精確，我們的理論預測也需要越來越精確。在某一點上，這些量子效應變得足夠大，它們真的很重要，”並且需要被解釋。

在構造量子演算法,研究人員考慮可能發生的不同粒子的過程和結果帕頓淋浴,佔粒子狀態,粒子發射歷史排放是否發生,在淋浴時產生的粒子數,包括獨立計數玻色子和費米子的兩種型別。

量子計算機“同時計算了這些歷史，並總結了每個中間階段所有可能的歷史，”鮑爾指出。

該研究小組使用了IBM Q約翰內斯堡晶片，這是一種擁有20個量子位元的量子計算機。每一個量子位，或量子位，都能夠表示0、1，以及一種所謂的疊加狀態，在這種狀態下，它同時表示0和1。這種疊加使量子位與標準計算位相比具有獨特的功能，標準計算位可以表示0或1。

研究人員用5個量子位構建了一個四步量子計算機電路，該演算法需要48次操作。研究人員指出，量子計算機中的噪音可能是導致與量子模擬器結果不同的原因。

儘管該團隊將量子計算應用於粒子對撞機資料的簡化部分的開創性努力是有希望的，Bauer說他不期望量子計算機在幾年內對高能物理領域有很大的影響——至少在硬體改進之前。

量子計算機需要更多的量子位元和更低的噪音才能有真正的突破，Bauer說。“這在很大程度上取決於機器改進的速度。”但他指出，要實現這一目標，需要付出巨大的、不斷增長的努力，重要的是現在就開始考慮這些量子演算法，為硬體領域即將到來的進步做好準備。

這種技術上的量子飛躍，是美國能源部支援的量子研發合作中心(collaborative quantum R&D center)的主要工作重點。伯克利實驗室(Berkeley Lab)是量子系統加速器(quantum Systems Accelerator)的一部分。

隨著硬體的改進，將有可能在量子演算法中包含更多型別的玻色子和費米子，這將提高演算法的準確性。

他說，這樣的演算法最終應該會在高能物理領域產生廣泛影響，也可以在重離子對撞機實驗中得到應用。