Kvantemaskin simulerer energi som blir til materie i partikkelkollisjoner

Et team av fysikere har brukt en digital kvanteprosessor til å simulere konverteringen av kinetisk energi til nye partikler under en kollisjon, en av de mest fundamentale prosessene i naturen, noe som markerer en milepæl i konvergensen mellom kvantedatamaskiner og høyenergifysikk.

Forskningen, publisert i Nature Physics den 11. september, ble utført av Roland C. Farrell og John Preskill fra California Institute of Technology sammen med Nikita A. Zemlevskiy og Marc Illa fra University of Washington. Ved å kjøre på 104 kvantebiter på IBMs International Business Machines Corporation ↘ 0.85% ibm_marrakesh-prosessor med opptil 5 589 to-kvantebit-porter, representerer eksperimentet en av de dypeste kvantesimuleringene av spredningsdynamikk rapportert til dags dato.bioengineer+2

Hvordan energi ble til materie på en brikke

Teamet simulerte kollisjoner innenfor den endimensjonale Ising-feltteorien, en forenklet, men fysisk rik modell av interagerende partikler. To kvantebølgepakker, som hver kodet den letteste partikkelen i teorien, ble sendt mot hverandre på gitteret. Etter kollisjonen målte forskerne skjevheten i den resulterende energitettheten, en størrelse som skiller elastisk spredning, der partikler bare spretter av hverandre, fra uelastiske hendelser der ny materie skapes.scienmag+1

Målingene deres avdekket en sluttilstand som inneholdt én lett og én tung partikkel, en konfigurasjon som bare er mulig hvis kollisjonens kinetiske energi hadde blitt konvertert til ekstra partikkelmasse. Ved lave kollisjonsenergier forble dynamikken elastisk; ved høyere energier åpnet den uelastiske kanalen seg, og det tydelige signalet for skjevhet dukket opp.bioengineer+2

Et skalerbart verktøy for partikkelfysikk

Sentralt i gjennombruddet er en ny algoritme for å forberede realistiske spredningstilstander på kvantehardware. Tidligere metoder krevde kretsdybder som økte med bølgepakkestørrelsen, noe som raskt ble upraktisk på støyende enheter. Den nye tilnærmingen bruker W-tilstander, som er flerpartikkel-sammenfiltrede tilstander, kombinert med målinger midt i kretsen og feed-forward-operasjoner. Dette gjør at prepareringskretsens dybde er uavhengig av bølgepakkens romlige volum, en egenskap forfatterne beskriver som en "supereksonensiell forbedring" over tidligere teknikker.bioengineer+1

Forskerne demonstrerte allsidigheten i metoden ved å konstruere kretser for flere andre teorier, inkludert Schwinger-modellen for kvante-elektrodynamikk og todimensjonal Ising-feltteori. Det endelige målet for denne forskningslinjen er kvantekromodynamikk, teorien som styrer kvarker og gluoner, der uelastiske prosesser som hadronproduksjon er sentrale for kollisjonsfysikk.bioengineer

Forbehold og horisonter

Den simulerte teorien forblir endimensjonal, og eksperimentet stolte på feilbegrensning i stedet for full kvantefeilretting. Å utvide tilnærmingen til høyere dimensjonale teorier og oppnå presisjon som kan sammenlignes med eksperimentelle kollisjonsdata er utfordringer som ligger foran oss. Likevel antyder demonstrasjonen av at en støyende kvanteprosessor kan observere energi som blir til materie i en kvantefeltteori, at fremtidige, kraftigere maskiner kan takle spredningsproblemer i sanntid som forblir uløselige for klassiske datamaskiner.nature+2