Kvanttitietokone simuloi energian muuttumista aineeksi hiukkastörmäyksissä

Fyysikkoryhmä on käyttänyt digitaalista kvanttiprosessoria simuloimaan kineettisen energian muuttumista uusiksi hiukkasiksi törmäyksen aikana, mikä on yksi luonnon perustavanlaatuisimmista prosesseista ja merkittävä virstanpylväs kvanttilaskennan ja korkeaenergiaprosessien yhdistymisessä.

Tutkimus julkaistiin Nature Physics -lehdessä 11. syyskuuta, ja sen toteuttivat Roland C. Farrell ja John Preskill Kalifornian teknillisestä korkeakoulusta (Caltech) sekä Nikita A. Zemlevskiy ja Marc Illa Washingtonin yliopistosta. International Business Machines Corporationin ↗ 3.96% ibm_marrakesh-prosessorin 104 kubitilla ja jopa 5 589 kahden kubitin portilla suoritettu koe edustaa yhtä syvimmistä tähän mennessä raportoiduista sirontadynamiikan kvanttisimulaatioista.bioengineer+2

Miten energia muuttui aineeksi sirulla

Ryhmä simuloi törmäyksiä yksiulotteisessa Isingin kenttäteoriassa, joka on yksinkertaistettu mutta fysikaalisesti rikas malli vuorovaikuttavista hiukkasista. Kaksi kvanttiaaltopakettia, joista kumpikin koodasi teorian kevyintä hiukkasta, lähetettiin syöksymään toisiaan kohti hilassa. Törmäyksen jälkeen tutkijat mittasivat tuloksena syntyneen energiatiheyden vinoutta, joka erottaa elastisen sironnan, jossa hiukkaset vain kimpoavat toisistaan, inelastisista tapahtumista, joissa syntyy uutta ainetta.scienmag+1

Heidän mittauksensa paljastivat lopputilan, joka sisälsi yhden kevyen ja yhden raskaan hiukkasen. Tämä konfiguraatio on mahdollinen vain, jos törmäyksen kineettinen energia on muuttunut hiukkasmassaksi. Alhaisilla törmäysenergioilla dynamiikka pysyi elastisena, mutta korkeammilla energioilla inelastinen kanava aukesi ja tunnusomainen vinoussignaali tuli selvästi esiin.bioengineer+2

Skaalautuva työkalupakki hiukkasfysiikkaan

Edistyksen keskiössä on uusi algoritmi realististen sirontatilojen valmisteluun kvanttilaitteistolla. Aiemmat menetelmät vaativat piirisyvyyksiä, jotka kasvoivat aaltopaketin koon myötä, mikä teki niistä nopeasti epäkäytännöllisiä kohinaisilla laitteilla. Uusi lähestymistapa käyttää W-tiloja eli moniosaisia lomittuneita tiloja yhdistettynä piirin sisäisiin mittauksiin ja eteenpäin syöttäviin operaatioihin. Tämä tekee valmistelupiirin syvyydestä riippumattoman aaltopaketin tilavuudesta, mitä kirjoittajat kuvailevat superekponentiaaliseksi parannukseksi aiempiin tekniikoihin verrattuna.bioengineer+1

Tutkijat osoittivat menetelmänsä monipuolisuuden rakentamalla piirejä useille muille teorioille, kuten kvanttielektrodynamiikan Schwinger-mallille ja kaksiulotteiselle Isingin kenttäteorialle. Tämän tutkimussuunnan lopullinen tavoite on kvanttiväridynamiikka, joka hallitsee kvarkkeja ja gluoneja, ja jossa inelastiset prosessit, kuten hadronien tuotanto, ovat keskeisiä törmäytinfysiikassa.bioengineer

Huomioita ja tulevaisuudennäkymiä

Simuloitu teoria on edelleen yksiulotteinen, ja koe perustui virheiden lieventämiseen täyden kvanttivirheenkorjauksen sijaan. Lähestymistavan laajentaminen korkeampiulotteisiin teorioihin ja kokeellista törmäytindataa vastaavan tarkkuuden saavuttaminen ovat tulevaisuuden haasteita. Silti osoitus siitä, että kohinainen kvanttiprosessori voi todistaa energian muuttumisen aineeksi kvanttikenttäteoriassa, viittaa siihen, että tulevaisuuden tehokkaammat koneet voivat ratkaista reaaliaikaisia sirontaongelmia, jotka ovat edelleen mahdottomia klassisille tietokoneille.nature+2