量子研究为中微子如何为超新星提供燃料提供了新的见解

这 学习 依靠量子计算用户计划 (QCUP) 和量子科学中心 (国家量子信息科学研究中心，位于美国能源部橡树岭国家实验室) 的支持。该研究成果发表在《 物理评论快报。

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) 表示：“这种理解是传统计算系统中从未出现过的新事物。”

“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。”

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），中微子不仅彼此交换能量和动量，还与周围的一切物质交换能量和动量。

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。

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

“模拟这种系统极其困难，因为纠缠本质上是一种量子力学特性，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，它使用基于 量子物理学 来模拟正在发生的事情。”

Savage 和华盛顿大学 InQubator for Quantum Simulation 的合著者 Marc Illa 通过 QCUP 获得了 Quantinuum H1-1 量子计算机的使用时间分配。QCUP 是 Oak Ridge Leadership Computing Facility 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——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 10 亿亿个中微子，即 10⁵⁴，中微子。Savage 和 Illa 使用一个包含 12 个中微子的系统的更简单的模型开始他们的模拟。

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影响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。”

有用的 量子模拟 噪声导致的错误率相对较高，从而降低了量子比特的质量。这个问题非常普遍，以至于当前一代量子计算机被称为噪声中型量子计算机（NISQ）。

各种编程方法都有助于减少这些错误，但由于 Quantinuum 计算机的量子比特和门质量很高，Savage 和 Illa 不需要这些方法进行研究。事实证明，该计算机的 12 量子比特电路足以满足近 200 个 2 量子比特门的要求。

“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。”