粒子物理學的標準模型代表了關於宇宙中基本粒子或亞原子粒子和力的最全面的理論。該模型描述了物質和反物質如何通過基本力相互作用，比如，將帶電粒子結合在一起的電磁力。由於高能，對這些相互作用的實驗觀察一直具有挑戰性 …

粒子物理學的標準模型代表了關於宇宙中基本粒子或亞原子粒子和力的最全面的理論。

該模型描述了物質和反物質如何通過基本力相互作用，比如將帶電粒子結合在一起的電磁力。

由於創造條件所需的高能量，對這些相互作用的實驗觀察一直具有挑戰性。因此，科學家們求助於計算機類比來研究描述亞原子粒子行為的量子場論。

現在，研究人員已經開發出一種使用量子計算的新方法來解決當前技術在處理複雜任務時面臨的挑戰。

由因斯布魯克大學和滑鐵盧大學的研究人員領導的這項研究使用了“量子位”的概念，這是量子位的擴展，但能夠存儲更多的資訊。

Qudits：量子比特的擴展

在大多數量子計算機中，資訊存儲在量子比特中，量子比特相當於經典計算中使用的比特。

雖然經典比特可以處於零或一狀態，但量子位使用疊加-一種量子現象，使它們同時存在於兩種狀態（想想薛定諤的貓）。

它們還利用了其他量子效應，如糾纏，使它們能夠以指數級的速度處理比經典比特更多的資訊。

研究人員將這個概念擴展到量子，量子可以存在於三個或更多狀態的疊加中。在這項工作中，研究人員使用了量子位，它可以同時存在於五種狀態的疊加中，而一個量子位只能同時存在兩種狀態。

這使得研究人員能夠更準確地表示量子場的多維性質，為研究基礎物理學開闢了新的可能性。

將滑鐵盧大學開發的專門Qudit演算法與因斯布魯克大學開發的硬體相結合，研究人員開發了一個框架，用於類比亞原子粒子及其相互作用，特別是那些涉及電磁場-量子電動力學的粒子。

擴展到二維空間

目前的工作是他們2016年研究的直接延伸，該研究小組使用量子計算機研究了真空中電子-正電子對的自發產生。

他們研究了在粒子對撞機中無法研究的現象，比如在粒子對形成過程中產生的粒子糾纏。

然而，其局限性在於粒子只能在一個維度上運動，即沿直線運動。目前的研究克服了這一問題，利用量子點使研究人員能夠在二維空間中研究粒子動力學。

利用這種新的量子計算方法，研究人員成功地觀察到了二維量子電動力學的基本特徵。

換句話說，他們觀察了帶電粒子之間的二維電磁相互作用。不僅如此，他們還觀察到了粒子在二維空間運動時產生的磁場。

這是邁向量子類比的重要一步，量子類比可以代表我們三維世界中基本相互作用的物理學。

研究人員認為，使用一些額外的量子可以讓我們研究將原子核聚集在一起的強核力。

來自因斯布魯克大學的合著者Martin Ringbauer在一份新聞稿中說：“我們對量子計算機為研究這些迷人問題做出貢獻的潛力感到興奮。”

這項研究發表在《自然物理學》雜誌上。