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模拟与数字：仿真我们量子宇宙的竞赛正在进行
模拟与数字量子仿真的近期进展预示着，将来量子计算机有可能仿真——进而阐明——对于哪怕最强大的超级计算机来说也过于复杂的物理现象。
Shalma Wegsman 撰文
左 芬 翻译
【译注：原文2025年9月5日刊载于QuantaMagazine，链接见文末。】
物理学家正在你追我赶地仿真充满宇宙的动荡量子场。
常规计算机没法给出对世界的忠实仿真。不过，仿真物理实在倒是量子计算机的原始特定目标。1981年，远在量子计算机作为破解加密术的潜在工具而声名远播之前，物理学家Richard Feynman就为如今投入数十亿美元的建造工程播下了种子，幽默地说道：“大自然可不是经典的，见鬼，所以你如果想对自然进行仿真，最好让它也是量子力学的。”
尽管目前的量子计算机仍然不大也不成熟，但已经发展得足够先进，可以让物理学家用来仿真自然的微小片段。
比方说，在奥地利因斯布鲁克市的一个实验室里，物理学家最近使用一台量子计算机仿真了电磁场的一个2维片层。他们观测到了这一数字场中的量子涨落——粒子对从虚空中涌现，然后又消失。
电磁场已经被理解得很好了。不过物理学家的长期目标在于仿真远远超出纸笔计算能力的复杂物理过程。“我们的终极梦想是，未来的量子仿真机可以帮助我们解决迫在眉睫的问题，”加拿大滑铁卢大学理论物理学家Christine Muschik说道。电磁场的仿真就是她与Martin Ringbauer在因斯布鲁克大学的实验室合作完成的。
这些问题包括物质在极端条件比如宇宙最早期出现的一些情况下的行为。“原则上，一旦我们有了一台大尺度量子仿真机，我们就可以扫描早期宇宙的任何时刻。”慕尼黑大学物理学家Jad Halimeh说。
对复杂化学反应与物质相的仿真也有助于药物发现和具有诸如室温超导等良好性质的新材料的设计。
物理学家们正争先恐后地沿着多种路线去仿真未知。
“我们的终极梦想是，未来的量子仿真机可以帮助我们解决迫在眉睫的问题。” —— Christine Muschik, 滑铁卢大学
一些团队使用标准的量子计算机：这些是可编程的机器，通过在所谓量子比特或者“量子位”之间引入相互作用来实现算法。跟通常的比特不同，这些计算元素是由量子对象构成的，它们可以同时处在0和1这两个可能的态上。
其它团队，比如2维电磁场的仿真者，采用基于量子多位或者“量子数位（qudit）”的量子计算机。这些量子对象可以处在三个甚至更多的可能态上，因此能编码更多信息。“这样我们就可以实现更大的梦想。”Muschik说道。
还有其它的团队使用模拟式的量子仿真机，也就是用另一个更易于构建的量子体系来建模当前的体系。这就好像把一架模型飞机放在风洞里，来获知真实飞机的飞行动力学。
“现在出现了竞争，”Halimeh说道，“这是一个宏大的未解问题：何者会引领未来，模拟还是数字？”
量子之上的量子
仿真自然就是仿真量子场——充满着宇宙的类似流体的实体。当能量扰动量子场时，它们会泛起涟漪，而这些涟漪就是基本粒子。量子场支撑着宇宙中所有的物质粒子和力粒子。
谷歌的这台量子处理器最近被编程来仿真一种量子场的动力学。
通过计算机仿真来研究场和粒子的实时动力学的做法并不是全新的。数十年来，物理学家一直试图这么去做，并用一个离散晶格上的点来近似量子场。这样一来他们就可以只在这些点上求解物理方程，绕开以实际的无穷大分辨率去仿真场这一不可能的任务。可是哪怕在这一近似下，经典计算机仿真也撞墙了。
这是因为被称为纠缠的量子现象会引发巨大的复杂性。在量子粒子被测量前，它可以同时处在多种可能的状态上。进而，当两个粒子相互作用时，它们的不定态会彼此相互依赖。例如，测量一个粒子的位置会改变另一个粒子所处位置的可能性。这就是纠缠。
数学上，纠缠的粒子必须予以集体刻画。在拥有许多相互作用量子粒子的体系里，对这些粒子相互依赖性的数学刻画的复杂性会迅速增长。“在某个点上它会指数式地激增，”哈佛大学物理学家以及量子仿真试验的先行者Mikhail Lukin说道，“你在经典计算机上会很快耗尽存储。”
出于这个原因，量子粒子的经典仿真局限在小型体系和低空间维度。
可是量子计算机是用量子零件构建的，内置有纠缠。“量子计算机在处理这一点上不费吹灰之力。这是相当廉价的。”Halimeh称。
下一级计算
大多数量子计算机用量子位来容纳信息。这些量子位用原子或者超导电路构成，可以处在状态0和1同一时刻的某个概率性组合上。当量子位相互作用时，它们可能的态会纠缠起来，而这些相互作用就编码了计算。
多年来，Muschik都使用量子位来仿真量子电动力学，也就是电磁场的量子理论。当她在因斯布鲁克大学的一次公共事务上遇见Ringbauer之后，这一切都改变了。她的算法和他那“美妙的机器是天造地设的一对，”Muschik说道。
滑铁卢大学的Christine Muschik（左图）与因斯布鲁克大学的Martin Ringbauer最近共同领导了一种两维量子力场的首次量子仿真。
Ringbauer的团队正在搭建的量子计算机使用的不是量子位，而是量子数位——每个有五种可能的态。这些额外的可能性使得每个粒子都能容纳更多信息，进而往往能缩减一个复杂计算所需的步骤数。并非每种仿真都能通过在量子数位上运行来获益，但量子场的复杂性使得它更适合这种方法。当Muschik把她的仿真从量子位逻辑转变成量子数位时，她的电路缩减到了一成。“这就像是把它们全都纳入了一个节食计划，”她说。缩短后的算法会运行得更快，并且错误更少。“我完全信服了。”
这一团队于2016年公布了他们的首轮结果，展示了电磁场的一维仿真。如今，在近十年后，他们成功地扩展到了两维，仿真了动力学丰富得多的电磁平面国。
“这是一个宏大的未解问题：何者会引领未来，模拟还是数字？”
—— Jad Halimeh, 慕尼黑大学
这一量子数位仿真机是用量子计算机的一种常用构建模块，钙-40离子，构造的。每个离子的外层电子可以处在八个不同的能级上；五个被选中来表征量子数位。这些充能态只会持续一秒，之后电子就会失去能量并回落到基态上，因此计算必须快速完成；他们的仿真步骤序列只花了10到20毫秒。
为了形成电磁场的一个方块，他们使用了五个离子——四个在角上，一个在中心。将来，他们希望扩大这一项目。“我们有了这个建造模块……现在就可以把它们彼此相邻地拼起来，搭建出一个大的晶格，”Ringbauer说。
哪怕只用了五个离子，当算法在量子数位间诱导相互作用时，团队仍然能探测到粒子对在仿真场中自发产生的表现信号。“一开始你看到大量对的生成，”Ringbauer说道。接着这些对开始相撞并湮灭，“于是你会得到粒子密度的这种振荡行为。”
他们的结果三月份发表在《自然物理学》上，是对两维粒子及其量子力场的首次量子仿真，也是完整的量子数位算法得以成功运行的首批案例之一。紧随其后，另一个团队很快实现了基于量子位的量子场仿真，并在六月将结果发表于《自然》。
然而要真正仿真大自然，这些研究者还需要将规模扩大，并进入到三维中。
桌面上的宇宙
慕尼黑大学物理学家Jad Halimeh努力推动数字式与模拟式量子仿真的共同发展。
至于如何最好地实现这一目标，有些物理学家押注到了另一种方案。 使用模拟式仿真机，物理学家把一个感兴趣的量子体系映射到一个类似的体系——它满足相同形式的方程，但在实验室里更易于装配和观测。接着他们让实验室里的体系自然演化，而无需像数字式量子计算机那样运行一个按部就班的算法。“你对想要研究的事物构建一个类似的模型，接着你就观察它如何表现就好了。”Ringbauer说道。
通常来说，模型体系由冷却到近乎绝对零度的原子组成，而这时候量子效应就接管了。“如果你把它们冷却下来，这些原子就会开始集体舞蹈。你就不能再分别描述它们了。”Halimeh说道。
模拟式方案的一个里程碑出现在2020年。当时Halimeh与中国深圳的一位实验物理学家杨兵及其他合作者公布了一维量子电动力学的一次模拟式仿真，使用的是71个铷原子的阵列。尽管类似这个的模拟式仿真还有待扩展到两维，他们最近已经很接近了。在六月份发表于《自然》的一篇文章中，物理学家在2维里仿真了“弦断裂”：两个粒子间的电场表现得像一根弦，当一对新粒子在其间生成时弦会断裂。
不过，这一仿真没有囊括2维量子电动力学的全部动力学。它缺少了磁场，Halimeh在一次回应中提到了这一点。
前行之路
对于量子仿真机而言，真正的猎物是蕴含强力的场。这个力将夸克和胶子绑定起来，形成质子和中子。刻画它的量子场论叫做量子色动力学（Quantum Chromodynamics），简称QCD，在数学上比电磁场的理论要复杂得多。但是它对于理解极端情况下物质的行为以及如何生成全新类型的奇异材料可能至关重要。
“这是一个激动人心的时代 。但一切都还草创未就。”
—— Mikhail Lukin, 哈佛大学
“在QCD里，大量的事物我们都没法计算，”Muschik说道，“我们认识上的匮乏简直大到不可思议。”
仿真QCD的完整动力学会是一个长远的目标，不过一些研究者认为基于量子数位的计算机最有可能实现它。
在最近的一篇预印本文章中，Halimeh、Ringbauer与合作者提出了一种算法来用量子数位仿真强子——由夸克和胶子组成的像质子这样的粒子——的碰撞。当两个强子相撞时，它们会碎裂成一团夸克和胶子，接着又在一个所谓强子化的过程中快速地重新组合起来。研究者希望仿真这一过程会揭示宇宙诞生时强子是如何形成的。
相反，杨认为模拟式仿真才更适合去理解复杂的夸克-胶子相互作用，因为粒子会大量地出现。而借用模拟式仿真机，“你可以实现相当大的体系，”他说。
去年，杨开始使用模拟式仿真来处理强力在宇宙最早期的一些时刻会如何表现。那时后来会被束缚成强子的夸克和胶子可能会像一锅不受束缚的汤一样存在，这就是所谓夸克-胶子等离子体。2024年12月，杨、Halimeh与合作者使用一台铷原子模拟式仿真机仿真了夸克从束缚到未束缚态之间的跃迁。
或许数字式与模拟式量子仿真的这一对立局面不会一直持续。在很多情况下，同样的硬件对二者都适用。2月份，一个研究者团队公布了一种混杂模拟-数字仿真的结果，是在谷歌的一台量子计算机上运行的。这一项目旨在将数字式计算的通用性与模拟式时间演化融为一体。
“他们全都在用不同的方法研究不同的方面，”Lukin这样评价各种路线，“这是一个激动人心的时代。但一切都还草创未就。”
原文链接：
https://www.quantamagazine.org/analog-vs-digital-the-race-is-on-to-simulate-our-quantum-universe-20250905/
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