无中微子双β衰变的寻路式量子模拟

为什么这种奇异衰变很重要

在原子核深处，一些极为罕见的过程可能暗含关于宇宙为何“存在”的线索。其中一种被称为无中微子双β衰变的过程，或许能揭示中微子是否就是它们自己的反粒子，并有助于解释宇宙为何含有比反物质更多的物质。本文介绍了研究人员如何利用最先进的阱离子量子计算机，运行对该奇异衰变的开创性、高度简化的模拟，展示了当今的量子硬件已能实时追踪该过程的关键特征。

以约克秒级别偷看核事件

化学家在学会拍摄分子在飞秒（10⁻¹⁵秒）尺度上形变后彻底改变了该领域。核反应发生在更极端的时间尺度：约克秒，即10⁻²⁴秒。直接在真实原子核中探测如此短暂的瞬间超出当前实验能力，但量子计算机提供了另一条路径。通过把一个模型原子核编码进量子比特，并让它在精心选定的作用量（哈密顿量）下演化，人们原则上可以重建这些难以想象的短时刻下核量子态的“快照”。

一种改写规则的罕见衰变

团队将注意力集中在无中微子双β衰变上：这是一种假设性的过程，其中一个原子核实际上将两个中子变为两个质子和两个电子，但不发射中微子。在普通的双β衰变中，两个中微子带走了轻子数——一种用于区分电子和中微子等轻子与其他粒子的守恒“账本”量。如果有一种衰变不发射中微子，则轻子数必须被破坏，这将意味着中微子是马约拉纳粒子（Majorana particle）——即它自身的反粒子。进而，这与早期宇宙如何产生物质多于反物质的思想密切相关。

在量子芯片内构建一个小型宇宙

由于模拟完整三维原子核远超当前硬件能力，研究者构建了一个被大幅简化的世界：一维空间加时间的量子色动力学（夸克与胶子的理论），仅有两个空间格点。他们包含了上、下夸克、电子和中微子，并使用IonQ的Forte代阱离子量子计算机上的32个量子比特来表示这些粒子。额外的四个量子比特作为“标志位”，用于检测设备是否跑出预定的计算空间。该模型包含夸克之间的强相互作用、一种允许夸克转化并发射轻子的有效弱相互作用，以及一个明确破坏轻子数的特殊中微子质量项。参数被刻意调校，使得双β衰变占优而普通的单β衰变被抑制，以模拟真实实验目标核的条件。

让脆弱的硬件讲清楚一个故事

为运行模拟，团队首先制备了一个简单的两重子初始态——类似一个小型原子核——起始时无电子或中微子。然后他们使用标准的“特罗特（Trotter）化”方案来近似这一态在所选相互作用下随时间的演化，并将其实现为设备上的一系列本征两量子比特门。因为当前量子计算机存在噪声，作者在物理设定和电路设计上共同适配硬件的优势：全联通性、特定的纠缠门以及有限的误差预算。他们引入若干近似以缩短电路，使用备用量子比特作为错误标志，并应用先进的误差缓解技术，例如电路“扭转”（twirling）和对符合已知守恒定律的测量结果进行积极的后选择。通过这些措施，他们能够从包含约470个两量子比特门的电路中可靠提取关键观测量。

观察轻子数守恒破坏的出现

研究者跟踪的中心量是电子所带电荷和整体轻子数随时间的变化。他们比较了模型的两个版本：一个关闭特殊中微子质量项时，轻子数应被守恒；另一个开启该项时，罕见的无中微子衰变通道便会打开。在IonQ的Forte Enterprise设备上，团队观察到当中微子质量项存在时，轻子数随时间明显偏离零，而在该项不存在时则保持与零相一致。在最新的模拟时间点，这两种情况下的差异对应约10σ的统计信号——远超随机波动——且与在经典计算机上进行的理想无噪声模拟高度一致。

这项寻路性成果真正表明了什么

这项研究尚不能预测无中微子双β衰变在真实原子核中发生的频率；该模型刻意采用了低维设置和非物理的参数选择。其重要性在于展示了现有量子计算机已能追踪一个玩具核体系的实时多体动力学，并清晰分辨出轻子数守恒被破坏的信号。该工作为电路深度、误差缓解和量子比特数量设定了实用基准，并为随着硬件改进迈向更真实的核模拟描绘了路线图。最终，这类模拟可补充大型地下实验和经典计算，帮助物理学家解码中微子是否为其自身的反粒子以及为何我们的宇宙由物质而非等量的物质与反物质构成。

引用: Chernyshev, I.A., Farrell, R.C., Illa, M. et al. Pathfinding quantum simulations of neutrinoless double-β decay. Nat Commun 17, 1826 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68536-8

关键词: 量子计算, 无中微子双β衰变, 中微子物理, 核反应, 阱离子量子计算机