2026年9月23日——由杜克量子中心（DQC）教员领导的一个研究团队在量子模拟器上观测到了与粒子-反粒子形成相关的弦断裂动力学，这在量子物理领域属于首批成果之一。这一方法于9月23日发表在《自然·物理》期刊上，展示了囚禁离子量子计算机开始探索宇宙基本问题的可行性。该实验模拟了一种称为弦断裂的现象，其中两个相连的物质基本组成部分被拉开，最终产生如此多的能量，以至于当连接断开时，新粒子“凭空出现”。 

“量子计算机模拟提供了最佳平台，用于研究像物质形成这样的复杂问题——除非亲眼目睹大爆炸本身，”杜克大学电气与计算机工程和物理学Gilhuly Family Presidential Distinguished Professor Christopher Monroe说，他领导了这项研究。“这些发现标志着量子科学领域的显著发展，并为我们理解弦断裂动力学开辟了新途径。”

这项研究由包括马里兰大学（UMD）、牛津大学、加州理工学院、康奈尔大学和鲁汶大学在内的国际合作团队完成。该结果与另外两项已发表的类似发现一道，后者由该领域其他研究团队领导，并在不同的量子计算机平台上模拟了相同现象。

物质的基本组成单元

物质的基本组成单元——夸克——只有在质子、中子等粒子内部束缚在一起时才存在。它们比原子大约小十亿倍，目前无法被直接观测到。你可以把夸克对想象成由一根绷紧的弦连接的两个微小带电粒子；它们想要粘在一起，因此需要相当多的能量才能将它们拉开。

但一旦它们被强行分开，它们连接中积累的能量就足以产生更多带电粒子，因为质量与能量通过爱因斯坦著名方程E=mc²直接关联。当这种情况发生时，弦会断裂，留下两对或更多对粒子，而不是一对。然而，这一过程需要如此多的能量，以至于它只发生在极端环境中，比如大型强子对撞机或大爆炸之后。

在这项新研究中，DQC领导的团队成功在囚禁离子量子平台上观测到了类似的弦断裂动力学。量子模拟器具有高度可控性，可被编程以重现发生在原子乃至亚原子量子尺度上的真实世界过程。

“在量子模拟和高能物理的交叉领域工作令人无比兴奋，”论文第一作者、Monroe实验室前博士生、现QuEra Computing生产机器负责人Arinjoy De说。“通过在受控实验室环境中模拟夸克禁闭和弦断裂现象，我们正在为从最基础层面实验研究物质行为开辟新途径。”

模拟如何进行

为了执行模拟，团队将弦断裂模型编码到一条由13个囚禁离子组成的链中。研究人员利用精确控制的激光束，能够调节离子之间的相互作用。这些相互作用以模仿弦被拉伸并最终断裂的方式，有效地控制系统能量。

通过将系统制备到非平衡态并追踪其随时间的演化，研究人员观测到了有效电荷的出现，并重建了由此产生的弦动力学。

团队还在经典计算机上模拟了这一过程，并确认实验量子计算结果准确。然而，随着未来实验中问题规模增大，只有量子计算机——而非经典计算机——才能解决这些问题。 

其他模型中的弦断裂过程也由Google和QuEra Computing领导的团队分别在基于超导电路和中性原子构建的平台上重现，这两种平台各有其优势和挑战。

“这是量子计算领域领先的三大平台，因此对量子界来说是一个很好的基准和比较，”Monroe补充道。

囚禁离子平台的结果标志着在构建复杂到足以超越甚至最大超级计算机能力的量子模拟方面迈出了令人兴奋的一步，这最终将使研究人员能够探索宇宙最根本的问题，比如大爆炸后的物质演化。

“作为一名物理学家，在原子级计算机器中研究早期宇宙的条件令人无比兴奋，”UMD物理学副教授、研究团队成员Zohreh Davoudi说。“即使从非平衡物理模型中获得最微小的洞见，也将在未来引导我们。”