量子计算机首次成功模拟强子化过程：科学家实现粒子物理里程碑

数十年来，夸克通过强核力结合形成质子和中子（即强子化）这一基本过程，一直停留在理论模型阶段，从未在量子硬件上直接模拟过。这一局面在2026年被打破：劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的研究科学家首次利用一台IBM量子计算机成功模拟了强子化过程。

研究成果

伯克利实验室的研究科学家Anthony Ciavarella通过橡树岭领导计算设施的量子和用量子计算用户计划（QCUP），远程访问了一台IBM量子计算机，并成功模拟了强子化——即夸克通过强核力结合形成质子、中子等复合粒子的过程。这是该关键粒子物理过程首次在量子硬件上得到模拟，为完成经典超级计算机无法实现的计算奠定了基础。

这项工作建立在伯克利实验室物理学家Christian Bauer、Marat Freytsis和Benjamin Nachman的早期研究之上。他们曾在2022年通过QCUP使用类似方法，计算了质子碰撞中产生的粒子发射额外粒子的概率。Ciavarella在2026年发表于《物理评论D》（Physical Review D）的项目，则专门聚焦于对整个强子化过程的建模。

使模拟成为可能的简化措施

当今的量子处理器仍然噪音较大且量子比特数量有限。为了使强子化计算在现有硬件上可行，研究团队采取了大量简化措施：

• 降低空间维度： 模拟是在简化的一维空间加一维时间（1+1维）的量子力学模型中运行的，而非完整的3D空间。
• 重夸克极限/希尔伯特空间截断： 该理论通过SU(2)格点规范理论映射到格点上，并在重夸克极限下对希尔伯特空间进行了截断。这极大地减少了需要编码的量子态数量。
• 近似相互作用（局域性）： 由于“色禁闭”效应将强核力的相互作用范围限制在大约一个强子的尺度内，研究人员设计的模拟中，量子比特只需与邻近的量子比特交互，而非需要所有量子比特之间都能相互连接。这使得相互作用可以被转换成在近期量子硬件上可行的量子门序列。
• 经典-量子混合方法： 团队利用有效场论将完整计算分解为多个部分，其中一部分在经典计算机上运行，只有最依赖量子计算的部分才在量子处理器上执行。

关键发现：再现“弦断裂”现象

量子模拟成功再现了早期经典格点QCD计算中一个熟知的现象：弦断裂——即两个分离夸克之间的强力场“胶子弦”被拉断，并产生新的夸克-反夸克对的机制。橡树岭领导计算设施的文章明确指出，该项目涉及模拟“弦断裂强子化”。

这一发现验证了简化的量子模型正确地捕捉了强力的关键非微扰动力学，此前这些动力学只能通过经典格点模拟来研究。它证实了该方法在物理上是有效的，而不仅仅是一个计算练习。

未来计划

研究团队已规划了多项后续步骤以扩展此项工作：

• 增加维度： 从简化的1+1维模型向更高空间维度的模拟迈进。
• 放宽近似条件： 逐步向更接近自然界的物理问题推进，减少所需的简化。
• 扩展规模： 利用通过QCUP可访问的IBM约100+量子比特系统，运行经典计算机无法处理的更大、更复杂的模拟。
• 错误缓解： 继续开发和部署错误缓解技术，以应对当前量子硬件固有的噪音问题。
• 直接预测对撞机实验结果： 最终目标是能对强子化过程做出直接的第一性原理预测，并与大型强子对撞机的数据进行对比，从而助力寻找标准模型之外的新物理。