量子计算机将在科研领域“大显身手”

物理学家一直在努力开发量子计算机，并希望量子计算机能够发挥其量子力学效率，帮助发现自然界的新规律。

去年，英国杂志《自然》报道称，奥地利物理学家首次使用由四个“量子位”组成的量子计算机来实现高能物理等高端实验的完整模拟。最近，《自然》杂志报道称，一台初级量子计算机重新发现了希格斯玻色子，某种意义上的“上帝粒子”。据说加拿大D波系统公司的量子计算机可以在海量数据中发现粒子的特征。

尽管这种量子计算机的性能没有超过传统方法，但科学家们表示，随着未来物理实验中数据的增加，量子计算机有望在科学研究中“展示其才能”。

模拟高能物理实验

根据去年6月22日发表在《自然》杂志上的一份报告，奥地利物理学家在由四个“量子位”组成的量子计算机研究中，利用真空中的电磁场来排列四个离子。每个离子被编码成一个量子位，形成了量子计算机的迷你版本。研究人员使用激光束来操纵离子的自旋，并诱导它们进行逻辑运算。经过100多步的计算，科学家们成功地证实了量子电动力学的一个预测:能量被转化为物质，产生一个电子和一个正电子。

研究人员希望在未来升级计算规模，以模拟强大的核力(夸克结合在一起形成质子和中子，最终形成原子核)。此外，升级后的量子计算机有望解决更多问题，比如帮助科学家理解两个原子核、中子星和中微子之间的高速碰撞。

寻找希格斯玻色子

最近，科学家走得更远，用量子计算机发现了希格斯玻色子。

2012年，欧洲大型强子对撞机(LHC)团队宣布，他们已经证明了希格斯玻色子的存在，并找到了粒子物理标准模型之谜的最后一块。两个实验小组，CMS(紧凑型缪斯环)和ATLAS(超质子仪器)，发现了质子碰撞产生希格斯玻色子的证据。这样，希格斯玻色子衰变为更常见的玻色子，例如一对高能光子。

但是每次LHC碰撞两个质子，就会产生数百个其他粒子。当它们击中探测器时，它们会被错误地解释为光子。为了帮助加速寻找希格斯玻色子，ATLAS和CMS的物理学家使用模拟数据来训练机器学习算法，以“在沙子中寻找黄金”——从错误信号中“找到”真正的光子。

最近，加州理工学院的物理学教授玛丽亚·斯皮罗普卢(Maria Spiropoulou)想知道量子计算机是否能使上述训练过程更有效，尤其是在减少训练系统所需的模拟数据量方面。“我想看看它是否能解决希格斯问题，”她说。

她的合作者亚历克斯·莫特是伦敦“深度学习”项目的物理学家。他把学习过程变成了一个可以用“量子退火”计算机计算的问题(由加拿大的D波系统公司开发)。这种机器可以通过将编码量子信息的超导线圈降低到最低能量状态来找到某些问题的最佳解决方案。

他们的想法是让量子计算机找到最佳标准，然后让普通计算机使用这些标准在真实数据中找到光子信号。为了验证这一理论，该团队使用了南加州洛杉矶大学的D-Wave机器。斯皮尔伯格说，实验非常成功:“我们已经能够利用小数据集进行训练，以获得最佳解决方案。”

ATLAS希格斯玻色子研究的负责人之一克雷默说，这被证明是可行的，这是研究中“最酷”的部分。此外，与传统计算机相比，量子计算机目前没有明显的技术优势，但在未来的实验中，数据量将会更大，量子机器学习将会“显示其威力”。

美国纽约大学的物理学家凯利·克莱默说，量子计算机应该被用来解决实际的物理问题，而不是普通的数学问题，这令人耳目一新。“在此之前，人们认为量子机器和物理实验有一天可能会相交。看来这一次是真的。”

应用还是超越物理研究

然而，克莱默也指出，尽管如此，不要指望物理学家会立即投入量子计算机的怀抱。目前，这台机器还没有比Spinulou和他的团队在普通计算机上运行的虚拟版本表现得更好。此外，要证明这些技术比一些现有的机器学习算法更有效，还有很长的路要走。斯皮罗普卢同意这一观点，并补充说，仍然有必要测试许多不同的方法，并比较哪一种是最好的。

实验结果也可能影响物理以外的领域。目前，从地球科学到生物信息学，研究人员都对量子计算机及其在机器学习领域的应用感兴趣，如基因序列分析和蛋白质折叠的风险分析。此外，隶属于美国宇航局艾姆斯研究中心的非营利组织——大学空间研究联盟的大卫·文图拉(David Ventuller)正在领导一项计划，由谷歌和美国宇航局资助，建造一台与D-Wave相同类型的机器，该机器建成后将向世界各地的实验者开放。

(北京，11月15日，《科技日报》)

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