研究人员利用量子模拟对中微子(遍布整个宇宙的神秘亚原子粒子)的性质及其在大质量恒星死亡中的作用获得了新的见解。

研究人员利用ORNL量子计算用户项目实现的量子模拟，模拟超新星中中微子的味道振荡。中微子有三种“味道”或类型，每一种都对应一个伴粒子：电子(e)、μ子(μ)或τ子(†)。图片来源：ORNL，美国能源部

该研究得到了美国能源部橡树岭国家实验室量子计算用户计划(QCUP)和量子科学中心(国家量子信息科学研究中心)的支持。

“这种理解是传统计算系统所没有的新发现，”这项研究的资深作者、华盛顿大学物理学教授马丁·萨维奇(MartinSavage)说道。“我们首次认识到，我们可以研究多个中微子之间的纠缠是如何随着时间的推移而产生的，这些结果在我们对传统计算机的预期误差范围内。这是朝着更好、更准确、更具可扩展性的量子模拟迈出的一步。”

中微子是由核反应产生的——从导致太阳发光的巨大反应，到使放射性示踪剂可用于医学测试的微小反应。这些极轻的粒子无处不在，不带电荷，很少与其他物质相互作用。

但是在恒星坍缩和爆炸期间(这一过程通常称为超新星爆炸)，中微子不仅相互交换能量和动量，还与周围的一切物质交换能量和动量。

“此时，中微子从被动粒子(几乎是旁观者)变成了推动恒星坍缩的主要元素，”萨维奇说。“超新星之所以令人感兴趣，原因有很多，包括它是产生金和铁等重元素的场所。如果我们能更好地理解中微子及其在恒星坍缩中的作用，那么我们就能更好地确定和预测超新星等事件的发生率。”

科学家很少近距离观察超新星，但研究人员曾使用经典超级计算机(如ORNL的Summit)来模拟该过程的各个方面。仅靠这些工具还不足以捕捉中微子的量子性质。

“这些中微子是纠缠的，这意味着它们不仅与周围环境相互作用，也与其他中微子相互作用，”萨维奇说。“模拟这种系统极其困难，因为纠缠是一种内在的量子力学特性，超出了我们在传统计算中可以捕捉和近似的范围。这就是为什么我们需要一台量子计算机，使用基于量子物理学的计算来模拟正在发生的事情。”

Savage和华盛顿大学InQubatorforQuantumSimulation的合著者MarcIlla通过QCUP获得了QuantinuumH1-1量子计算机的使用时间分配。QCUP是OakRidgeLeadershipComputingFacility的一部分，该设施将全国各地私有量子处理器的使用时间授予研究项目。Quantinuum计算机使用捕获离子作为量子比特，这是几种量子计算方法之一。

传统计算机以0或1的位来存储信息。换句话说，经典的位就像电灯开关一样，有两种状态：开或关。

量子计算机将信息存储在量子比特中，量子比特是比特的量子等价物。与传统比特不同，量子比特可以通过量子叠加同时存在于多个状态中——更像是一个拨号盘，比开/关开关具有更广泛的更详细的设置范围。这种差异使量子比特能够比传统比特携带更多信息。科学家希望利用这种增加的容量来推动基于新一代设备的量子计算革命。

这种能力使Savage和研究团队能够模拟超新星中微子之间的量子力学相互作用的近似值。一颗真正的超新星至少会涉及1054个中微子。Savage和Illa开始使用一个包含12个中微子的简单模型进行模拟。

自然界中发现的每种中微子“味”或类型都对应着一种“伙伴”粒子：电子、μ子或τ子。研究中使用的模型只关注两种味。

量子电路——传统数字电路的量子等价物——使研究小组能够模拟粒子之间复杂的连接和相互作用，以便每个中微子能够与其他中微子相互作用，而不仅仅是与其最近的邻居相互作用。

结果提供了中微子如何在量子层面纠缠的现实近似，因此改变一个中微子的性质也会改变另一个中微子的性质。在超新星爆发期间，随着中微子开始相互相互作用并与周围环境相互作用，中微子可以从电子性质转变为μ子性质或τ性质。模拟提供的细节使团队能够测量各种纠缠中微子随时间从一种性质演变为另一种性质的过程。

为什么要追踪味道的转变?因为中微子的mu和tau味道与电子味道的同类相比，与物质的相互作用不同。这些相互作用会影响超新星爆炸中产生的较重元素的数量和类型。

“这些电路结果非常接近中微子的行为，”萨维奇说。“我们发现我们可以利用这些模拟以统计显著的方式测量中微子纠缠，并且随着中微子数量的增加，我们可以确定尺寸的显著变化。这是第一次进行此类研究。”

实用量子模拟的主要障碍是噪声导致的相对较高的错误率，这会降低量子比特的质量。这个问题非常普遍，以至于当前一代量子计算机被称为嘈杂的中型量子计算机(NISQ)。各种编程方法都可以帮助减少这些错误，但由于Quantinuum计算机的量子比特和门质量很高，Savage和Illa不需要这些方法来进行他们的研究。事实证明，该计算机的12量子比特电路足以满足近200个2量子比特门的需求。

“我们发现量子硬件上的系统误差小于统计误差，”萨维奇说。“我们还有很长的路要走才能精确预测大型中微子系统的行为，我们不知道当前一代的NISQ设备能否带我们到达那里。但这项技术应该可以移植到其他类型的量子计算机上，结果有助于我们设置可用于模拟更大型中微子系统的协议。”

下一步包括模拟多达50个中微子的系统。萨维奇希望在各种环境中模拟此类系统。

“我们想了解不同热状态、平衡和非平衡状态的含义，”他说。“我们很高兴能看到我们能探索到什么。”

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