2026年4月21日——一组研究团队利用量子模拟技术对亚原子粒子碰撞进行建模，为理解高能物理关键课题——强子碰撞基础理论开辟了新途径。该成果展示了量子计算突破经典高性能计算机局限，在解决科学问题方面具有更广阔的应用潜力。

这项研究获得了美国能源部橡树岭国家实验室“量子计算用户计划”(QCUP)及国家量子信息科学研究中心“量子科学中心”的支持。

由通讯作者、华盛顿大学物理学教授马丁·萨维奇领导的研究团队采用量子电路模拟强子碰撞。强子是由夸克和胶子组成的亚原子粒子——这两种不可分割的微观粒子通常被称为物质的基本构成单元。最常见的强子是原子核中的质子和中子。

当强子碰撞时，反应会产生巨大的能量集中并释放大量粒子，这些粒子具有不同的能量和组成。

萨维奇表示：“这些碰撞对于深入理解高能物理和极端条件下的物质研究至关重要，但建模所需的方程规模始终远超现有经典计算机的运算能力。如今量子设备已能提供数百个量子比特进行模拟，我们想探索这套新工具的应用可能。”

经典计算机使用非0即1的比特存储信息。就像电灯开关，经典比特只能处于开或关两种状态之一。

量子计算依靠量子比特(qubit)存储信息。与传统二进制比特不同，通过量子叠加原理，量子比特可同时存在于多种状态，允许在单个物体上编码物理值的组合。这种特性使量子比特能够呈现更广泛的可能取值，有望解决经典计算机无法处理的难题。

通过橡树岭领导计算设施(OLCF)下属的QCUP项目，萨维奇团队获得了IBM的Torino量子计算机的使用时长。该项目为全美基于云的商用量子处理器分配算力以支持科研项目。Torino计算机采用超导体作为量子比特，这是量子计算的多种实现方式之一。

研究团队首先制备了一维量子基态（即可能的最低能量状态），随后利用Torino量子计算机133个量子比特中的112个模拟量子化波包（能量脉冲），并通过时间演化建模强子碰撞事件，最终使用了3,858个双量子比特门。这种方法使团队能够追踪能量脉冲在碰撞过程中的时域演化。

结果显示出了强子传播特征——即碰撞过程中观测到的夸克和胶子运动轨迹。作者指出，这些结果与经典数值模拟所得数据高度吻合。

由于测量误差、量子比特退相干等原因，当前量子系统普遍存在高错误率（噪声）。研究团队采用IBM的错误缓解和不确定量化技术来降低噪声并追踪与预期结果的偏差。

该团队希望在后续研究中，即使量子比特数量有限且错误率较高，也能在量子硬件上实现这些初始态的演化。萨维奇表示，未来配备大量量子比特的量子计算机通过纠错技术，最终可能实现超越当前经典计算机的精度。

作者在论文中写道：“此类模拟或许能首次揭示……超越经典计算机现有能力范畴的现象。”

除萨维奇外，研究团队成员还包括量子模拟孵化器的罗兰·法雷尔、马克·伊拉和安东尼·恰瓦雷拉。

本研究获得了美国能源部科学办公室“先进科学计算研究计划”、能源部量子科学中心及能源部核物理量子模拟孵化器的支持。OLCF是能源部科学办公室设在橡树岭国家实验室的用户设施。

UT-Battelle为美国能源部科学办公室管理橡树岭国家实验室，该办公室是美国物理科学基础研究的最大资助机构，致力于应对当今时代最紧迫的科学挑战。