N=12个中微子的风味反演概率。线条显示单步 Trotter（连续）和精确（虚线）模拟，点显示 H1-1（黑眼圈，使用 240 张）和 H1-1E（浅色方块，使用 1200 张）的结果。图片来源：Physical Review Letters （2023）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.130.221003

研究人员使用量子模拟来获得对中微子（宇宙中比比皆是的神秘亚原子粒子）的性质以及它们在大质量恒星死亡中的作用的新见解。

该研究依赖于量子计算用户计划（QCUP）和能源部橡树岭国家实验室的国家量子信息科学研究中心量子科学中心的支持。这项工作发表在《物理评论快报》杂志上。

“这种理解是经典计算系统没有出现的新东西，”该研究的资深作者、华盛顿大学物理学教授马丁·萨维奇（Martin Savage）说。

“我们第一次认识到，我们可以研究多个中微子之间的纠缠是如何随时间推移而引起的，这些结果在我们对经典计算机的期望的误差范围内。这是朝着更好、更准确和更具可扩展性的量子模拟方向迈出的一步。

中微子是由核反应产生的——从导致太阳照射的巨大反应，到使放射性示踪剂能够进行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。

但是在恒星的坍缩和爆炸过程中——这一过程更广为人知的是超新星——中微子不仅彼此交换能量和动量，而且与周围的一切交换能量和动量。

“在这一点上，中微子从被动粒子 - 几乎是旁观者 - 到帮助推动坍缩的主要元素，”Savage说。“超新星之所以有趣，原因有很多，包括作为产生金和铁等重元素的场所。如果我们能够更好地理解中微子及其在恒星坍缩中的作用，那么我们就可以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，但研究人员已经使用经典的超级计算机，如ORNL的Summit来模拟这一过程的各个方面。仅靠这些工具不足以捕捉中微子的量子性质。

“这些中微子是纠缠在一起的，这意味着它们不仅与周围环境相互作用，而且不仅与其他中微子相互作用，而且与自身相互作用，”萨维奇说。

“模拟这种系统非常困难，因为纠缠本质上是一种量子力学特性，超出了我们在经典计算中可以捕获和近似的特性。这就是为什么我们需要一台量子计算机，它使用基于量子物理学的计算来模拟正在发生的事情。

Savage 和他的合著者、华盛顿大学量子模拟 InQubator 的 Marc Illa 通过 QCUP（橡树岭领导计算设施的一部分）在 Quantinuum 的 H1-1 量子计算机上获得了时间分配，该设施为全国各地的私人量子处理器提供时间以支持研究项目。Quantinuum计算机使用捕获的离子作为量子比特，这是几种量子计算方法之一。

经典计算机以等于 0 或 1 的位存储信息。换句话说，经典位，如电灯开关，以两种状态之一存在：打开或关闭。

量子计算机将信息存储在量子比特中，量子比特相当于量子比特。与经典比特不同，量子比特可以通过量子叠加同时存在于多个状态中——更像是一个具有更广泛范围、更详细设置的表盘，而不是开/关开关。这种差异使量子比特能够携带比经典比特更多的信息。科学家们希望利用这种增加的能力来推动建立在新一代设备上的量子计算革命。

这种能力使Savage和研究团队能够模拟超新星中微子之间量子力学相互作用的近似值。一颗真正的超新星至少需要一颗七分之一，即10颗54中微子。Savage 和 Illa 开始使用一个更简单的模型进行模拟，该模型具有 12 个中微子系统。

在自然界中发现的每种中微子“味道”或类型都对应于一个“伙伴”粒子：电子、μ子或tau。该研究中使用的模型仅关注两种口味。

量子电路 - 传统数字电路的量子等价物 - 使该团队能够模拟粒子之间的复杂连接和相互作用，以便每个中微子可以与其他中微子相互作用，而不仅仅是其最近的邻居。

这些结果提供了中微子如何在量子水平上纠缠在一起的现实近似值，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。在超新星期间，当中微子开始相互影响时，中微子可以将味道从电子味道转变为μ子味道或tau味道。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口味到另一种口味的演变。

为什么要跟踪风味转化？因为中微子的 mu 和 tau 味道与物质的相互作用与它们的电子味兄弟不同。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。

“事实证明，这些电路非常接近中微子的行为，”萨维奇说。“我们发现，我们可以使用这些模拟以具有统计学意义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着缩放。这是第一次进行这种研究。

有用的量子模拟的主要障碍是由降低量子比特质量的噪声引起的相对较高的错误率。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尺度量子（NISQ）。

各种编程方法可以帮助减少这些错误，但 Savage 和 Illa 不需要这些方法来进行研究，这要归功于 Quantinuum 计算机的量子比特和门的高质量。事实证明，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，”Savage说。“要精确预测大型中微子系统的行为，我们还有很长的路要走，我们不知道当前一代的NISQ设备是否能把我们带到那里。但这种技术应该可以移植到其他类型的量子计算机，结果有助于我们设置可用于模拟更大的中微子系统的协议。

接下来的步骤包括模拟一个由多达50个中微子组成的系统。Savage希望在各种环境中对此类系统进行建模。

“我们想了解不同热状态的影响，处于平衡状态和不平衡状态的影响，”他说。“我们很高兴看到我们可以探索什么。”

更多信息：Marc Illa 等人，致密中微子系统中的多中微子纠缠和相关性，物理评论快报 （2023）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.130.221003

期刊信息： Physical Review Letters