近日，北京大学物理学院技术物理系周辰助理教授、清华大学物理系刘东副教授、中科院高能所阮曼奇研究员与其合作者将量子计算应用于未来希格斯工厂中的喷注重建问题。此研究展示了量子计算在喷注重建问题中的潜力，是量子计算在高能物理实验中应用的重要一步。相关研究论文以“高能物理实验中喷注重建的一种新颖量子实现”（A Novel Quantum Realization of Jet Clustering in High-Energy Physics Experiments）为题，发表于《科学通报》（Science Bulletin）2025年第四期。
探索量子计算在基础科学中的应用可以促进双方的进一步发展。由于量子色动力学中的色禁闭作用，夸克和胶子这类带有色荷的粒子不能单独自由存在。在高能粒子对撞中，对撞产生的夸克和胶子会经过复杂的物理过程立即形成大量稳定的末态粒子，称为喷注。精确的喷注重建对于夸克和胶子的研究以及希格斯玻色子性质的测量至关重要。量子近似优化算法（Quantum Approximate Optimization Algorithm, QAOA）是在中等规模带噪量子硬件中有望展示量子优越性的量子经典混合算法。通过将对撞事例表示为图（粒子表示为图的节点，粒子之间的距离表示为图的边），此研究首次得到了量子近似优化算法在喷注重建问题上的实验结果。在量子模拟器以及量子硬件上的结果表明：在小规模喷注重建问题上，量子近似优化算法的性能达到了经典的喷注重建算法的性能。
图1，量子近似优化算法在喷注重建中的应用。（a）正负电子对撞产生大量稳定的末态粒子。（b）对撞事例表示为图，其中粒子表示为图的节点，粒子之间的距离表示为节点之间的边。（c）构建量子线路。（d）根据超导量子芯片的拓扑结构及其支持的量子门编译量子线路。（e）得到由量子模拟器、量子硬件、经典的喷注重建算法以及k均值聚类上的喷注重建结果。其中纵轴表示重建出的喷注与对应夸克的夹角，夹角越小表示重建效果越好。
北京大学物理学院技术物理系博士后朱永峰为论文第一作者。周辰、刘东、阮曼奇为该论文共同通讯作者。其他合作者包括北京量子研究院助理研究员庄伟峰、钱辰和马运恒。
上述研究工作得到了北京大学建设世界一流大学（学科）和特色发展引导专项、北京大学核物理与核技术全国重点实验室等支持。
论文原文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.12.020
