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人类首次，构建出“量子宇宙切片”，并捕捉到最微妙的量子颤动

游戏天地 2025年09月09日 06:53 1 admin

奥地利因斯布鲁克大学与加拿大滑铁卢大学的物理学家们宣布，他们首次在实验室中利用量子计算机模拟出二维量子电磁场的动态，并清晰观测到“真空涨落”——粒子对自发地诞生、又瞬间湮灭。这是人类第一次在数字量子计算机上构建出一个微型的“量子宇宙切片”，并捕捉到自然界最微妙的量子颤动。

人类首次，构建出“量子宇宙切片”，并捕捉到最微妙的量子颤动

这一成果发表在 Nature Physics 上，被认为是量子模拟研究的一个里程碑。研究团队采用的是基于 “量子位扩展版”——量子数字（qudit） 的计算机，每个物理单元能同时表示五种状态，从而大大缩短了模拟所需的步骤。借助这一优势，他们用短短数十毫秒的运算，就完成了以往在经典计算机上根本无法实现的场论模拟。

这项突破并不止于炫技。科学家们希望未来的量子模拟，能帮助我们解答一系列前沿难题：物质在极端条件下如何演化？早期宇宙的片刻瞬间经历了怎样的量子涨落？强相互作用的“色动力学”能否被真正还原？这些问题的答案，不仅能推动基础物理的发展，还可能引领药物研发、新材料设计，甚至室温超导等应用领域的革命。

正如滑铁卢大学物理学家 Christine Muschik 所说：

我们怀抱的终极梦想，是某一天量子模拟器能替我们回答最迫切的科学疑问。

从费曼的构想到当今的模拟竞赛

量子模拟的故事，可以追溯到上世纪八十年代。1981年，美国物理学家 理查德·费曼（Richard Feynman） 在一次著名演讲中抛出了一个震撼人心的观点：“自然界不是经典的，如果你想模拟自然，就必须让模拟器本身也是量子的。”在当时，量子计算机还是一个几乎无法想象的概念，但费曼的断言为后来整个领域奠定了哲学与理论基础。

进入九十年代和二十一世纪初，物理学家们开始用传统计算机尝试“离散化”的量子场模拟：把连续的量子场近似为由有限点组成的格点。然而，量子力学中的核心现象——纠缠，迅速让这些计算陷入“指数爆炸”。随着粒子数目的增加，计算需求瞬间超出任何超级计算机的能力极限。人们逐渐意识到，费曼的设想不是空想，而是唯一的出路。

于是，两条路线逐渐形成：

  • 数字量子模拟：利用可编程的量子比特（qubit）或更高级的量子数字（qudit），通过量子算法一步步重现自然规律。
  • 类比量子模拟：用一个可控的量子体系去模仿另一个复杂体系，就像用风洞里的模型飞机来研究真正的飞行器。

2010年代以后，谷歌、IBM 等科技公司推动了量子硬件的快速发展，小规模的量子计算机逐渐登上舞台。与此同时，实验物理学家也在冷原子、离子阱等体系中，搭建出可以观测和操纵的“类比实验场”。

到 2020 年，一个重要突破出现：来自中国深圳与德国慕尼黑的团队，用 71 个冷却到极低温的铷原子，类比模拟出了一维量子电动力学的现象。这被认为是类比模拟的里程碑。与此同时，谷歌团队也用自家的量子处理器尝试数字化的量子场模拟。

如今，随着因斯布鲁克团队在二维电磁场上的成功，人类正式进入了“量子模拟竞赛时代”。正如慕尼黑大学物理学家 Jad Halimeh 所说：“这是一个开放的大问题：未来究竟是类比模拟胜出，还是数字模拟胜出？”

量子模拟的快速进展，正在让物理学家们逐步接近费曼当年的愿景：用量子机器去重现自然界的量子本质。今天的成果，还只是二维“量子平面”的一次缩影实验；但在未来，人类希望能进一步扩展到三维，乃至最终攻克最艰难的目标——量子色动力学（QCD），揭开夸克与胶子世界的秘密。

如果这一切能够实现，我们不仅能回溯到宇宙诞生的最初时刻，重建“大爆炸”后那段炽热而混沌的量子图景；我们还可能在现实应用中收获巨大红利：

  • 在新材料领域，量子模拟可能帮助找到室温超导体，彻底改变能源输送方式；
  • 在化学与医药，它能准确刻画复杂反应过程，加速药物设计与绿色化学的发展；
  • 在基础科学，它将成为解开宇宙最深层规律的钥匙，让我们第一次真正触碰“自然的源代码”。

当然，现在的技术还处在“婴儿期”。无论是数字量子计算机、类比量子模拟器，还是两者融合的混合路线，都面临着噪声、误差、可扩展性等巨大挑战。

然而，正是这种“不确定性”，反而赋予了当下研究以激动人心的意义。科学家们正在用一代代实验，把曾经的设想逐渐推向现实。或许在不远的将来，量子模拟将不再只是实验室里的“微缩宇宙”，而会成为人类理解世界、改造世界的全新工具。

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