物理学家们竞相模拟充斥宇宙的抖动量子场。
要精确模拟世界，使用普通计算机是不可能实现的。然而，模拟物理现实正是量子计算机最初明确的目标。1981年，在量子计算机因有望成为破解加密的工具而声名大噪之前很久，物理学家理查德·费曼就为如今这项投入达数十亿美元的研究奠定了基础，他有句名言：“该死的，大自然不是经典的，如果你想模拟大自然，最好用量子力学来模拟。”
尽管量子计算机目前仍规模较小且处于初级阶段，但已发展到足够先进的程度，物理学家们正利用它们来模拟自然界的微小部分。例如，在奥地利因斯布鲁克的一个实验室中，物理学家们最近使用量子计算机模拟了二维的电磁场。他们在数字场中观测到了量子抖动现象，即粒子对凭空出现又再次消失。
电磁场已被人们充分了解，但物理学家们的长期目标是模拟那些无法通过纸笔计算解决的复杂物理过程。加拿大滑铁卢大学的理论物理学家克里斯汀·穆希克表示：“我们有一个宏伟的梦想，即未来的量子模拟器能帮助我们解决亟待解答的问题。”她与因斯布鲁克大学马丁·林鲍尔的实验室合作进行了电磁场模拟。
这些问题包括物质在极端条件下会发生什么，比如宇宙最初时刻存在的那些极端条件。慕尼黑大学的物理学家贾德·哈利梅说：“原则上，一旦我们有了大规模的量子模拟器，我们就能探究早期宇宙中的任何时期。”
对复杂化学反应和物质相态的模拟，也有助于药物研发以及设计具有诸如室温超导等有用特性的新材料。
物理学家们正沿着多条路径，竞相模拟未知的物理过程。
一些团队使用标准量子计算机，这种可编程机器通过诱导量子比特（即“qubits”）之间的相互作用来实现算法。与普通比特不同，这些计算元素由量子物体构成，可同时处于0和1两种可能状态。
其他团队，比如二维电磁场的创造者，采用基于量子数位（即“qudits”）的量子计算机。这些量子物体可以存在于三种或更多可能状态，因此能够编码更多信息。穆希克说：“现在我们可以有更大胆的设想。”
还有一些团队使用模拟量子模拟器，用另一个更容易构建的量子系统来模拟某个量子系统。这就好比将模型飞机放入风洞，以了解真实飞机的空气动力学特性。
哈利梅说：“现在存在一场竞争。这是一个重大的开放性问题：未来是模拟还是数字的天下？”
要模拟自然，就是要模拟量子场，这是一种类似流体的实体，充斥着整个宇宙。当能量扰动量子场时，它们会产生涟漪，这些涟漪就是基本粒子。量子场是宇宙中所有物质和力粒子的基础。
长期以来，物理学家们一直尝试通过计算机模拟来研究场和粒子的实时行为。几十年来，他们试图通过将量子场近似为离散的点晶格来实现这一目标。这样，他们只需在这些点上求解物理方程，从而避开模拟场真正无限分辨率这一不可能完成的任务。但即便采用这种近似方法，经典计算机模拟还是遇到了瓶颈。
这是因为一种名为纠缠的量子现象带来了巨大的复杂性。在测量一个量子粒子之前，该粒子可以同时处于多种可能状态。当两个粒子相互作用时，它们不确定的状态就会相互依赖。例如，测量一个粒子的位置，就会改变另一个粒子可能出现的位置。这就是纠缠现象。
从数学角度讲，纠缠粒子必须作为一个整体来描述。在一个有许多相互作用的量子粒子的系统中，描述它们相互依赖关系的数学复杂度会迅速增加。哈佛大学的物理学家、量子模拟研究的带头人米哈伊尔·卢金说：“在某个阶段，这种复杂度会呈指数级爆炸式增长。经典计算机的内存会不够用。”
正因如此，对量子粒子的经典模拟被限制在极小的系统规模和低空间维度。
但量子计算机由量子部件构成，天生具备纠缠特性。哈利梅说：“量子计算机处理这种情况轻而易举，成本极低。”
大多数数字量子计算机用由原子或超导电路构成的量子比特来存储信息，这些量子比特可同时处于0和1状态的某种概率组合。当量子比特相互作用时，它们的可能状态就会发生纠缠，这些相互作用可以编码计算。
多年来，穆希克一直用量子比特模拟量子电动力学，即电磁场的量子理论。当她在因斯布鲁克大学与林鲍尔共事时，情况发生了改变。穆希克说：“这是一种自然的契合。”她的算法与林鲍尔的“出色设备”相得益彰。
林鲍尔的团队正在构建一台量子计算机，它使用的不是量子比特，而是量子数位，每个量子数位有五种可能状态。这些额外的可能性使每个粒子能够存储更多信息，常常减少复杂计算所需的步骤。并非所有模拟都能从使用量子数位中受益，但量子场的复杂性使其适合这种方法。当穆希克将她的模拟从量子比特逻辑转换为量子数位逻辑时，她的电路规模缩小了十倍。她说：“这就像是给它们减肥了。”更短的算法运行得更快，错误也更少。“我完全信服了。”
该团队在2016年发表了他们的首批成果，展示了对电磁场的一维模拟。如今，近十年后，他们成功将模拟扩展到二维，模拟出了具有更丰富动力学特性的电磁平面。
这台量子数位模拟器由钙 – 40离子构成，这是量子计算机常用的构建模块。每个离子的外层电子可以占据八种不同的能级，其中五个能级被选来代表量子数位。这些激发态仅能持续一秒，之后电子就会失去能量并回到基态，所以计算必须快速完成。他们模拟中的步骤序列仅需10到20毫秒。
为了形成二维正方形的电磁场区域，他们使用了五个离子，四个位于角落，一个在中心。未来，他们希望扩大这个项目规模。林鲍尔说：“我们有了这个构建模块……现在我们可以将它们并排堆叠，构建出一个大的晶格。”
即便只有五个离子，该团队也能检测到信号，这些信号代表在模拟场中，随着算法诱导量子数位之间的相互作用，粒子对自发产生。林鲍尔说：“一开始，你会看到大量粒子对产生。”然后粒子对开始碰撞并湮灭，“所以在粒子密度上会出现这种振荡行为。”
他们的成果于3月发表在《自然·物理学》杂志上，这是首次对二维中的粒子及其量子力场进行量子模拟，也是首个成功运行的成熟量子数位算法之一。另一个团队基于量子比特对量子场的模拟也很快在6月发表于《自然》杂志。
但要真正模拟自然，这些研究人员需要扩展到三维。
至于如何最好地实现这一目标，一些物理学家有不同的选择。对于模拟模拟器，物理学家将感兴趣的量子系统映射到一个类似的系统上，这个系统遵循相同形式的方程，但在实验室中更容易配置和观察。然后，他们让实验室系统自然演化，不像数字量子计算机那样运行逐步算法。林鲍尔说：“你构建一个类似于你想研究的东西的模型，然后观察它的行为。”
通常，模型系统由冷却到几乎绝对零度的原子组成，在这种情况下量子效应占主导。哈利梅说：“如果你将它们冷却，这些原子就会开始一起‘跳舞’。你不能再单独描述它们了。”
2020年，模拟方法取得了一个里程碑式的成果。当时，哈利梅、中国深圳的实验物理学家杨兵以及合作者发表了对一维量子电动力学的模拟，他们使用了由71个铷原子组成的阵列。虽然像这样的模拟模拟器尚未扩展到二维，但最近已经很接近了。在6月发表于《自然》杂志的一篇论文中，物理学家对“弦断裂”进行了二维模拟，其中两个粒子之间的电场就像一根弦，当它们之间产生一对新粒子时，这根“弦”就会“断裂”。
然而，正如哈利梅在回应中指出的，该模拟并未包含二维量子电动力学中的所有动力学过程，它缺少磁场。
对于量子模拟器而言，真正的挑战将是模拟强相互作用的基础场。这种力将夸克和胶子结合在一起，形成质子和中子。描述它的量子场理论称为量子色动力学（QCD），在数学上比电磁场理论复杂得多。但它很可能是理解物质在极端条件下的行为，以及如何创造新型奇异材料的关键。
穆希克说：“在量子色动力学中，有大量我们无法计算的东西。我们的认知缺失实在太大了。”
模拟量子色动力学的完整动力学是一个遥远的目标，但一些研究人员认为，基于量子数位的计算机最有可能实现这一目标。
在最近的一篇预印本论文中，哈利梅、林鲍尔及合作者提出了一种算法，该算法使用量子数位来模拟强子（如由夸克和胶子组成的质子等粒子）的碰撞。当两个强子碰撞时，它们会分解成一团夸克和胶子，然后迅速重新组合，这个过程称为强子化。研究人员希望通过模拟这个过程，揭示宇宙诞生时强子是如何形成的。
另一方面，杨认为模拟模拟更适合理解复杂的夸克 – 胶子相互作用，因为这类粒子数量往往众多。他说：“使用模拟模拟器，你可以研究非常大的系统。”