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文丨恩里科排版丨恩里科行业动向4000字丨10分钟阅读##量子前哨 ##量子计算用量子比特记录粒子数费米子比较直接一个模式要么被占据要么不被占据正好对应0和1。玻色子却可以在同一个模式里聚集任意多个编码就复杂得多。离子阱里恰好有现成的玻色子离子链集体振动的声子。它一直在幕后干活两个离子要纠缠靠的是整串离子的集体振动牵线。9月25日马里兰大学与杜克大学的团队在《Nature Physics》发表论文《Quantum field theory dynamics on a spin–phonon quantum computer》把一部分振动从幕后调了出来直接当作被模拟的玻色场。论文由马里兰大学的核物理理论学者Zohreh Davoudi与离子阱实验物理学家Norbert Linke等人共同完成。实验分辨出一个振动模式里多达8个声子的占据。若改用量子比特编码这个模式至少要能表示0到8个声子光它就要4个量子比特还得事先规定“最多只装这么多”。同一天牛津大学的离子阱团队也在《Nature Physics》发表论文《Aharonov–Bohm interference in a Z₂ lattice gauge theory on a hybrid qubit–oscillator quantum computer》同样用离子的振动模拟场论只是在他们的实验里振动扮演的是物质。两项实验指向同一个问题硬件里本来就有玻色子还非要先把它翻译成量子比特吗两篇论文的回答是不必。不截断玻色子能省下什么用量子比特编码玻色子必须先截断人为规定一个模式里最多有Λ个玻色子Λ称为截断上限沿用论文的记号。再用二进制表示0到Λ每个模式需要⌈log₂(Λ1)⌉个量子比特。论文模拟的模型有N个格点费米子占N个量子比特玻色场有N个模式。若把费米子和玻色子全部编码成量子比特来模拟下称全比特方案所需量子比特数的量级是NN·logΛ把玻色子直接放进振动模式之后量子比特数降为N与截断上限无关每个玻色模式改由一个振动模式承担。省下的不只是记录玻色子所需的量子比特还有操控它们的电路。费米子与玻色场的耦合项全比特方案需要的纠缠门数量级是N²(logΛ)²混合方案是N²个自旋—声子门。两类门的时长和误差并不相同但资源随规模增长的方式确实变了。门数要紧是因为本实验用Trotter分解推进演化把一段演化切成许多小段每段里让各项相互作用轮流执行一遍切得越细越接近真实演化。每切一段都要把全部门跑一遍噪声随门数累积门数省下来同样的噪声预算下既可以切得更细、减小近似误差也可以把演化推得更长。截断还会带来误差。模拟粒子碰撞、系统被突然扰动这类远离平衡的过程时占据数较高的状态可能占到可观的权重截断上限设得过低就会漏掉这部分贡献。此前模拟场论动力学主要有两条路。一条是全比特方案非常灵活前不久我们介绍过的Preskill组论文《Digital quantum simulations of scattering in quantum field theories using W states》走的就是这条路代价是编码开销和截断误差。另一条是模拟式路线直接调控硬件中的玻色子让它们按目标模型演化。它省去了玻色子到量子比特的转换但能实现哪些模型取决于硬件中可构造的相互作用。离子阱里也早有声子实验论文列举的包括制备热态、绝热制备基态和观察声子跳跃。这项实验把两种做法结合起来让声子直接承载玻色场再用可编程操作组织它与费米子的演化。离子链的3N个振动模式怎样分工N个离子组成的链在三个方向上各有N个集体振动模式共3N个。这篇论文把它们分成三组。垂直于离子链的一组照旧用来实现Mølmer–Sørensen门即离子阱最常用的两比特纠缠门垂直方向的另一组拿来表示玻色场一个模式对应场的一个动量分量沿离子链方向的一组闲置。费米子仍由¹⁷¹Yb⁺离子的两个内部能级承载一般映射下每个格点一个量子比特。同一串离子一部分振动继续为量子比特服务另一部分自己成了被计算的对象。他们模拟的是11维Yukawa模型也就是一维空间加时间。这是费米子与标量玻色场相互作用的简化模型思想源于汤川秀树1935年用交换π介子解释核力的理论。费米子与玻色场的耦合靠一种比特—振子混合门激光照射某个离子让它的内部态给某个振动模式“推”一下推的方向由量子比特的状态决定这种操作称为条件位移。玻色场自身的能量项可以通过更新后续激光操作的相位来实现不需要额外施加物理脉冲这和超导量子计算里常用的虚拟Z门是同一个思路。整套演化仍按Trotter分解一步步推进用的是可编程的门序列同时又直接利用振子本身的连续自由度论文称之为模拟—数字混合平台。图1 自旋—声子模拟方案。a一维格点上的费米子场映射到离子的内部态量子比特同一格点上的标量场直接映射到离子的振动态声子。b推进一步演化所需的几类门实线为量子比特虚线为振动模式自旋—声子门同时连着两者。cYukawa哈密顿量各项对应的操作。图源Than et al., Nature Physics 2026从真空到8个声子第一组实验模拟2个格点。Yukawa模型的总电荷守恒2个格点、总电荷为0的费米子组态只有两种一个粒子和一个反粒子都在或者都不在1个量子比特就能表示。只在守恒量确定的子空间里编码是量子模拟里通用的省量子比特办法。再加上1个辅助量子比特和2个振动模式整个模拟只用了一条短短的离子链。玻色场从真空出发。离子先被冷却到几乎不振动平均声子数约0.05然后完整的相互作用被突然“打开”物理上称为淬火。相互作用打开后原先制备的状态不再是新模型的定态系统随之演化玻色模式中出现激发这个过程不需要持续从外部注入能量。演化共分12步每个时间点都从头单独跑一遍测量子比特时重复1000次取统计。测声子时研究者让探针离子吸收声子并翻转内部态。不同声子数对应不同的翻转频率翻转频率与声子数的平方根成正比拟合测得的振荡曲线就能估计各声子数出现的概率。频率较低的那个模式被激发得最多实验分辨出了包括8个声子在内的各种占据数的概率总体符合理论预期。原因是低频模式每份能量更小对应驱动项的系数也更大。图2 2格点实验的结果。a、b为量子比特两种状态的概率c–f为频率较高的玻色模式各声子数的概率g–o为频率较低的模式出现0至8个声子的概率均随演化时间变化。实心点为实验数据空心点为无噪声条件下的电路模拟虚线为连续演化的理论值。图源Than et al., Nature Physics 2026第二组实验模拟4个格点。总电荷为−1的费米子组态有4种用2个量子比特表示玻色场有4个模式。其中一个模式与费米子状态无关单独用一个辅助量子比特跑一条电路其余3个模式与2个量子比特一起演化。对比耦合关闭和打开两种情况打开之后费米子各组态的概率曲线明显改变玻色场反过来改变了费米子的演化。这组实验在经典计算机上并不难算。截断到每个模式最多8个声子时状态空间的维数是4×9⁴26244大小约相当于15个量子比特的状态空间。这个实验比的是装法而非算力。少用了量子比特接下来要解决的是振动能否控制得足够准、保持得足够久。在这台装置上离子内部态在激光操控下能把量子信息保持约400毫秒振动模式不到10毫秒。其他团队已经把振动的相位保持稳定的时间做到约50毫秒作者据此认为振动保存量子信息的时间有望追上离子内部态。规模扩大时还有两个难点。离子增多振动模式的频率会更拥挤单独操控一个模式更困难门可能变慢声子增多离子晃动的幅度变大原有激光控制的近似也可能失效。纠错也要另想办法猫态比特、GKP码这类玻色纠错码保护的是编码进振子的逻辑比特这里要保护的却是振子直接承载的场状态。牛津的另一种分工让振动当物质牛津的实验同样用“比特振子”分工却不同。他们模拟的是Z₂格点规范理论物质位于格点上传递相互作用的规范场位于连接格点的链路上。量子比特表示链路上的规范场振动模式表示格点上的玻色物质。一个离子、一个量子比特加两个振动模式就是一条连接两个格点的链路物质在两个格点间隧穿规范场随之翻转。再加一个离子就能用两个量子比特和两个振动模式模拟两条链路连接同一对物质格点的回路。将两个量子比特制备成不同的纠缠态就能在被模拟的回路中编码0或π的磁通磁通为0时物质照常隧穿磁通为π时两条路径的贡献相消隧穿被抑制这就是Aharonov–Bohm干涉。牛津团队在论文中称马里兰—杜克的工作与之互补。放在一起看马里兰—杜克让振动当传递相互作用的“信使”量子比特表示物质牛津让量子比特当传递相互作用的规范场振动表示物质。图3 牛津实验中双离子回路里的物质隧穿。a磁通为0时物质激发在两个格点间来回隧穿b磁通为π时Aharonov–Bohm干涉相消隧穿被抑制各观测量保持不变。图源Saner et al., Nature Physics 2026哪些量交给量子比特哪些量交给振动对量子计算来说这两篇论文给编码这一步添了一个经过实验检验的选项哪些自由度留在振子里可以按问题来选并没有“物质只能用比特、场只能用振子”的定规。这条路已经有了前后几步。马里兰—杜克的理论方案来自Davoudi、Linke与莱斯大学的Guido Pagano在2021年发表的论文《Toward simulating quantum field theories with controlled phonon-ion dynamics: A hybrid analog-digital approach》本文把它做成了实验。牛津论文在讨论如何按量子比特状态控制振动模式之间的耦合时还提到了另一种实现途径即清华大学金奇奂团队2023年在《Nature Physics》发表的《Scalable and programmable phononic network with trapped ions》这项工作实现了可编程的离子阱声子网络马里兰—杜克的论文也引用了它。2026年Liu等人在《PRX Quantum》发表综述《Hybrid Oscillator-Qubit Quantum Processors: Instruction Set Architectures, Abstract Machine Models, and Applications》把量子比特操作、振子操作以及两者之间的操作整理成一套可供编程使用的基本指令示例里除了规范场模拟还有量子比特与振子之间的量子态转移和量子傅里叶变换。这类设备并不因此变成专用设备同一台离子阱仍能运行普通量子电路遇到含玻色子的模拟问题还可以直接调用振动模式省量子比特、省门的好处也正出在这类问题上。编写程序时可以根据模型需要安排哪些部分由量子比特承担哪些部分由振动承担。写在最后过去离子阱的振动一直在幕后替量子比特牵线。同一天的两篇论文让它走到了台前一篇让它充当传递相互作用的玻色场一篇让它充当物质本身而把传递相互作用的规范场交给量子比特。角色不同背后的选择相同硬件里现成的玻色子直接拿来表示问题中的玻色子不必先截断、再翻译成一串量子比特省下的既有量子比特也有操控它们的门。用硬件自带的玻色子模拟纯玻色子问题超导电路的微波谐振腔、光量子计算的光场早有先例这两篇论文新在把它和量子比特上的费米子、规范场接到了一起让场论的实时演化在同一台量子计算机里跑了起来。对量子计算来说编码这一步从此多了一个经过实验检验的选项模拟物理时哪些量交给量子比特、哪些量留在振子里可以按问题本身来分配。离子阱走出了第一步微波谐振腔和光场会不会接着走Referencehttps://doi.org/10.1038/s41567-026-03402-4https://doi.org/10.1038/s41567-026-03400-6https://doi.org/10.1038/s41567-026-03436-8https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.3.043072https://doi.org/10.1038/s41567-023-01952-5https://doi.org/10.1103/4rf7-9tfx「END」 同一天两篇《Nature Physics》：离子阱的振动，一个作“信使”，一个作“物质”
文丨恩里科排版丨恩里科行业动向4000字丨10分钟阅读##量子前哨 ##量子计算用量子比特记录粒子数费米子比较直接一个模式要么被占据要么不被占据正好对应0和1。玻色子却可以在同一个模式里聚集任意多个编码就复杂得多。离子阱里恰好有现成的玻色子离子链集体振动的声子。它一直在幕后干活两个离子要纠缠靠的是整串离子的集体振动牵线。9月25日马里兰大学与杜克大学的团队在《Nature Physics》发表论文《Quantum field theory dynamics on a spin–phonon quantum computer》把一部分振动从幕后调了出来直接当作被模拟的玻色场。论文由马里兰大学的核物理理论学者Zohreh Davoudi与离子阱实验物理学家Norbert Linke等人共同完成。实验分辨出一个振动模式里多达8个声子的占据。若改用量子比特编码这个模式至少要能表示0到8个声子光它就要4个量子比特还得事先规定“最多只装这么多”。同一天牛津大学的离子阱团队也在《Nature Physics》发表论文《Aharonov–Bohm interference in a Z₂ lattice gauge theory on a hybrid qubit–oscillator quantum computer》同样用离子的振动模拟场论只是在他们的实验里振动扮演的是物质。两项实验指向同一个问题硬件里本来就有玻色子还非要先把它翻译成量子比特吗两篇论文的回答是不必。不截断玻色子能省下什么用量子比特编码玻色子必须先截断人为规定一个模式里最多有Λ个玻色子Λ称为截断上限沿用论文的记号。再用二进制表示0到Λ每个模式需要⌈log₂(Λ1)⌉个量子比特。论文模拟的模型有N个格点费米子占N个量子比特玻色场有N个模式。若把费米子和玻色子全部编码成量子比特来模拟下称全比特方案所需量子比特数的量级是NN·logΛ把玻色子直接放进振动模式之后量子比特数降为N与截断上限无关每个玻色模式改由一个振动模式承担。省下的不只是记录玻色子所需的量子比特还有操控它们的电路。费米子与玻色场的耦合项全比特方案需要的纠缠门数量级是N²(logΛ)²混合方案是N²个自旋—声子门。两类门的时长和误差并不相同但资源随规模增长的方式确实变了。门数要紧是因为本实验用Trotter分解推进演化把一段演化切成许多小段每段里让各项相互作用轮流执行一遍切得越细越接近真实演化。每切一段都要把全部门跑一遍噪声随门数累积门数省下来同样的噪声预算下既可以切得更细、减小近似误差也可以把演化推得更长。截断还会带来误差。模拟粒子碰撞、系统被突然扰动这类远离平衡的过程时占据数较高的状态可能占到可观的权重截断上限设得过低就会漏掉这部分贡献。此前模拟场论动力学主要有两条路。一条是全比特方案非常灵活前不久我们介绍过的Preskill组论文《Digital quantum simulations of scattering in quantum field theories using W states》走的就是这条路代价是编码开销和截断误差。另一条是模拟式路线直接调控硬件中的玻色子让它们按目标模型演化。它省去了玻色子到量子比特的转换但能实现哪些模型取决于硬件中可构造的相互作用。离子阱里也早有声子实验论文列举的包括制备热态、绝热制备基态和观察声子跳跃。这项实验把两种做法结合起来让声子直接承载玻色场再用可编程操作组织它与费米子的演化。离子链的3N个振动模式怎样分工N个离子组成的链在三个方向上各有N个集体振动模式共3N个。这篇论文把它们分成三组。垂直于离子链的一组照旧用来实现Mølmer–Sørensen门即离子阱最常用的两比特纠缠门垂直方向的另一组拿来表示玻色场一个模式对应场的一个动量分量沿离子链方向的一组闲置。费米子仍由¹⁷¹Yb⁺离子的两个内部能级承载一般映射下每个格点一个量子比特。同一串离子一部分振动继续为量子比特服务另一部分自己成了被计算的对象。他们模拟的是11维Yukawa模型也就是一维空间加时间。这是费米子与标量玻色场相互作用的简化模型思想源于汤川秀树1935年用交换π介子解释核力的理论。费米子与玻色场的耦合靠一种比特—振子混合门激光照射某个离子让它的内部态给某个振动模式“推”一下推的方向由量子比特的状态决定这种操作称为条件位移。玻色场自身的能量项可以通过更新后续激光操作的相位来实现不需要额外施加物理脉冲这和超导量子计算里常用的虚拟Z门是同一个思路。整套演化仍按Trotter分解一步步推进用的是可编程的门序列同时又直接利用振子本身的连续自由度论文称之为模拟—数字混合平台。图1 自旋—声子模拟方案。a一维格点上的费米子场映射到离子的内部态量子比特同一格点上的标量场直接映射到离子的振动态声子。b推进一步演化所需的几类门实线为量子比特虚线为振动模式自旋—声子门同时连着两者。cYukawa哈密顿量各项对应的操作。图源Than et al., Nature Physics 2026从真空到8个声子第一组实验模拟2个格点。Yukawa模型的总电荷守恒2个格点、总电荷为0的费米子组态只有两种一个粒子和一个反粒子都在或者都不在1个量子比特就能表示。只在守恒量确定的子空间里编码是量子模拟里通用的省量子比特办法。再加上1个辅助量子比特和2个振动模式整个模拟只用了一条短短的离子链。玻色场从真空出发。离子先被冷却到几乎不振动平均声子数约0.05然后完整的相互作用被突然“打开”物理上称为淬火。相互作用打开后原先制备的状态不再是新模型的定态系统随之演化玻色模式中出现激发这个过程不需要持续从外部注入能量。演化共分12步每个时间点都从头单独跑一遍测量子比特时重复1000次取统计。测声子时研究者让探针离子吸收声子并翻转内部态。不同声子数对应不同的翻转频率翻转频率与声子数的平方根成正比拟合测得的振荡曲线就能估计各声子数出现的概率。频率较低的那个模式被激发得最多实验分辨出了包括8个声子在内的各种占据数的概率总体符合理论预期。原因是低频模式每份能量更小对应驱动项的系数也更大。图2 2格点实验的结果。a、b为量子比特两种状态的概率c–f为频率较高的玻色模式各声子数的概率g–o为频率较低的模式出现0至8个声子的概率均随演化时间变化。实心点为实验数据空心点为无噪声条件下的电路模拟虚线为连续演化的理论值。图源Than et al., Nature Physics 2026第二组实验模拟4个格点。总电荷为−1的费米子组态有4种用2个量子比特表示玻色场有4个模式。其中一个模式与费米子状态无关单独用一个辅助量子比特跑一条电路其余3个模式与2个量子比特一起演化。对比耦合关闭和打开两种情况打开之后费米子各组态的概率曲线明显改变玻色场反过来改变了费米子的演化。这组实验在经典计算机上并不难算。截断到每个模式最多8个声子时状态空间的维数是4×9⁴26244大小约相当于15个量子比特的状态空间。这个实验比的是装法而非算力。少用了量子比特接下来要解决的是振动能否控制得足够准、保持得足够久。在这台装置上离子内部态在激光操控下能把量子信息保持约400毫秒振动模式不到10毫秒。其他团队已经把振动的相位保持稳定的时间做到约50毫秒作者据此认为振动保存量子信息的时间有望追上离子内部态。规模扩大时还有两个难点。离子增多振动模式的频率会更拥挤单独操控一个模式更困难门可能变慢声子增多离子晃动的幅度变大原有激光控制的近似也可能失效。纠错也要另想办法猫态比特、GKP码这类玻色纠错码保护的是编码进振子的逻辑比特这里要保护的却是振子直接承载的场状态。牛津的另一种分工让振动当物质牛津的实验同样用“比特振子”分工却不同。他们模拟的是Z₂格点规范理论物质位于格点上传递相互作用的规范场位于连接格点的链路上。量子比特表示链路上的规范场振动模式表示格点上的玻色物质。一个离子、一个量子比特加两个振动模式就是一条连接两个格点的链路物质在两个格点间隧穿规范场随之翻转。再加一个离子就能用两个量子比特和两个振动模式模拟两条链路连接同一对物质格点的回路。将两个量子比特制备成不同的纠缠态就能在被模拟的回路中编码0或π的磁通磁通为0时物质照常隧穿磁通为π时两条路径的贡献相消隧穿被抑制这就是Aharonov–Bohm干涉。牛津团队在论文中称马里兰—杜克的工作与之互补。放在一起看马里兰—杜克让振动当传递相互作用的“信使”量子比特表示物质牛津让量子比特当传递相互作用的规范场振动表示物质。图3 牛津实验中双离子回路里的物质隧穿。a磁通为0时物质激发在两个格点间来回隧穿b磁通为π时Aharonov–Bohm干涉相消隧穿被抑制各观测量保持不变。图源Saner et al., Nature Physics 2026哪些量交给量子比特哪些量交给振动对量子计算来说这两篇论文给编码这一步添了一个经过实验检验的选项哪些自由度留在振子里可以按问题来选并没有“物质只能用比特、场只能用振子”的定规。这条路已经有了前后几步。马里兰—杜克的理论方案来自Davoudi、Linke与莱斯大学的Guido Pagano在2021年发表的论文《Toward simulating quantum field theories with controlled phonon-ion dynamics: A hybrid analog-digital approach》本文把它做成了实验。牛津论文在讨论如何按量子比特状态控制振动模式之间的耦合时还提到了另一种实现途径即清华大学金奇奂团队2023年在《Nature Physics》发表的《Scalable and programmable phononic network with trapped ions》这项工作实现了可编程的离子阱声子网络马里兰—杜克的论文也引用了它。2026年Liu等人在《PRX Quantum》发表综述《Hybrid Oscillator-Qubit Quantum Processors: Instruction Set Architectures, Abstract Machine Models, and Applications》把量子比特操作、振子操作以及两者之间的操作整理成一套可供编程使用的基本指令示例里除了规范场模拟还有量子比特与振子之间的量子态转移和量子傅里叶变换。这类设备并不因此变成专用设备同一台离子阱仍能运行普通量子电路遇到含玻色子的模拟问题还可以直接调用振动模式省量子比特、省门的好处也正出在这类问题上。编写程序时可以根据模型需要安排哪些部分由量子比特承担哪些部分由振动承担。写在最后过去离子阱的振动一直在幕后替量子比特牵线。同一天的两篇论文让它走到了台前一篇让它充当传递相互作用的玻色场一篇让它充当物质本身而把传递相互作用的规范场交给量子比特。角色不同背后的选择相同硬件里现成的玻色子直接拿来表示问题中的玻色子不必先截断、再翻译成一串量子比特省下的既有量子比特也有操控它们的门。用硬件自带的玻色子模拟纯玻色子问题超导电路的微波谐振腔、光量子计算的光场早有先例这两篇论文新在把它和量子比特上的费米子、规范场接到了一起让场论的实时演化在同一台量子计算机里跑了起来。对量子计算来说编码这一步从此多了一个经过实验检验的选项模拟物理时哪些量交给量子比特、哪些量留在振子里可以按问题本身来分配。离子阱走出了第一步微波谐振腔和光场会不会接着走Referencehttps://doi.org/10.1038/s41567-026-03402-4https://doi.org/10.1038/s41567-026-03400-6https://doi.org/10.1038/s41567-026-03436-8https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.3.043072https://doi.org/10.1038/s41567-023-01952-5https://doi.org/10.1103/4rf7-9tfx「END」