2026年6月30日——一位劳伦斯伯克利国家实验室的研究科学家，通过量子计算机用户计划（QCUP）远程访问IBM量子计算机，成功模拟了粒子物理学中的一个关键过程：强子化。QCUP是一个量子计算访问计划，由橡树岭领导计算设施管理，该设施是美国能源部科学办公室设于橡树岭国家实验室的用户设施。尽管基于量子力学的简化模型，该项目为物理学家如何利用量子计算机的强大计算能力进行经典超级计算机无法完成的大型科学研究奠定了基础。

强子化发生在两个或更多夸克（物质的基本亚原子组成单元）通过强核力结合在一起形成复合粒子（称为强子）之时。最常见的强子例子是质子和中子，它们构成原子核。因此，更好地理解强子化过程意味着更好地理解物质结构，进而理解宇宙。

然而，物理实验无法揭示这一过程的每一个步骤。欧洲核子研究中心大型强子对撞机（LHC）的研究人员将质子加速到接近光速，引导它们发生碰撞，并研究碰撞产生的夸克和反夸克的碎片。但这些粒子在立即发生强子化之前只能被间接测量——因此需要计算机模拟来填补这些科学观测的空白。

“原则上，我们知道描述强子化的理论，但我们无法利用该理论进行预测，因为对经典计算机来说，这些计算太难了。然而，在量子计算机上，我们应该能够直接预测强子化如何发生的细节，这将有助于在LHC等对撞机上寻找新物理学，”领导该项目的伯克利实验室研究科学家Anthony Ciavarella说。他的研究结果发表在《物理评论D》上。

量子计算——相对于OLCF的百亿亿级前沿（Frontier）等经典超级计算机，仍处于发展早期阶段的技术——利用量子比特（qubits）进行计算。与经典计算机使用的二进制比特不同，量子比特不仅使用1和0来编码信息。相反，它们使用1和0组合的量子叠加态，这可能使某些问题的处理能力呈指数级增长，例如亚原子粒子的量子力学相互作用。

精确模拟量子色动力学（QCD）——描述强核力如何束缚夸克和胶子的理论——会让经典计算机不堪重负。强核力束缚并纠缠亚原子粒子，因此，在经典计算机上表示和操纵它们需要呈指数级增长的处理能力和内存来预测可观测结果。这是因为二进制计算机必须分别表示粒子的所有不同可能量子态，这就成了一个指数级扩展问题——每增加一个新粒子或时间步长，所需的内存量就会翻倍。

另一方面，量子计算机在描述亚原子系统方面效率更高，因为它们的量子比特可以像粒子本身一样存在于多种状态中。此外，每增加一个量子比特，其计算能力就会呈指数级增长。

“建造量子计算机的最初动机之一，就是它们自然地将这种量子现象学融入到其构建方式中。在亚原子系统的这些模拟中，我们有大量的纠缠和量子关联，这在普通计算机上是无法高效表示的，”Ciavarella说。

为量子计算设定模板

Ciavarella的项目最终目标是开发所需计算技术，以便在不久的将来在量子计算机上模拟大型亚原子系统的QCD。（目前的量子计算机量子比特数量有限，且错误率高，但该技术正在快速发展。）作为第一步，他结合自己的技术和科学家们在经典计算机上进行QCD模拟时使用的技术，简化了模拟参数。借助QCUP提供的云访问，他将其应用于IBM量子平台上的Heron处理器，使用了其156个量子比特中的104个。

首先，Ciavarella在模拟弦断裂时使用了重夸克极限，弦断裂是强子化过程中的一个基本机制。夸克通过胶子“弦”连接，这些弦在夸克碰撞并旋转远离时被拉伸，最终释放出足够的能量，“绷断”胶子弦，使新的夸克-反夸克对结合在一起形成强子。重夸克（质量更大）更容易模拟，因为它们不像轻夸克那样扩散，因此可以更轻松地作为点出现在模拟网格上。然后，研究人员将这些重夸克的结果外推到轻夸克的行为。

其次，Ciavarella使用了“可扩展电路并发变分量子求解器”，这是他在华盛顿大学攻读研究生期间共同开发的一种计算技术，用于将量子计算机的量子比特带到量子真空态——即能量最低、最稳定的状态。

“其想法是在小系统规模上优化这些真空制备电路。然后逐步增大系统规模。通过这样做，你可以了解电路参数如何依赖于系统规模，然后可以将其外推到大型系统。例如，你可以在最多10-12个量子比特上进行优化，如果愿意，可以进一步外推到数百个量子比特，”Ciavarella说。

最后，他将模拟限制在一维空间中，粒子仅从左向右和反向运动。Ciavarella计划在其工作的下一阶段增加一个维度，等能够访问改进的量子计算机和算法时再着手解决。但该项目成功验证了现有硬件在弦断裂模拟中能推进到何种程度，其结果与之前在经典超级计算机上的工作相符。

“我们在此复现的一个发现是，在胶子弦的中间，它在分离之前看起来像是开始在有限温度下气化。这令人兴奋，因为如果我们在各种不同的简化模型中看到这一现象被复现，那么它就更可能是描述我们所生活世界的QCD的一个实际特征，”Ciavarella说。

QCUP为计算科学家提供对最先进商业量子计算资源的访问，以促进科学计算应用的发现和创新。该计划由橡树岭领导计算设施管理。OLCF是ORNL的一个DOE科学办公室用户设施，由DOE的先进科学计算研究计划支持。