Kvantový počítač simuluje přeměnu energie na hmotu při srážkách částic

Tým fyziků využil digitální kvantový procesor k simulaci přeměny kinetické energie na nové částice během srážky – což je jeden z nejzákladnějších procesů v přírodě – a dosáhl tak milníku v konvergenci kvantových počítačů a fyziky vysokých energií.

Výzkum, publikovaný 11. září v časopise Nature Physics, provedli Roland C. Farrell a John Preskill z Kalifornského technologického institutu spolu s Nikitou A. Zemlevským a Marcem Illou z Washingtonské univerzity. Experiment, který běžel na 104 qubitech procesoru ibm_marrakesh společnosti International Business Machines Corporation ↗ 3.96% s využitím až 5 589 hradel pro dva qubity, představuje jednu z nejhlubších dosud hlášených kvantových simulací dynamiky rozptylu.bioengineer+2

Jak se energie stala hmotou na čipu

Tým simuloval srážky v rámci jednorozměrné Isingovy teorie pole, což je zjednodušený, ale fyzikálně bohatý model interagujících částic. Dva kvantové vlnové balíky, z nichž každý kóduje nejlehčí částici v teorii, byly vyslány proti sobě na mřížce. Po srážce vědci změřili šikmost výsledné hustoty energie – veličinu, která odlišuje elastický rozptyl, při němž se částice jednoduše odrážejí jedna od druhé, od neelastických událostí, při nichž vzniká nová hmota.scienmag+1

Jejich měření odhalila konečný stav obsahující jednu lehkou a jednu těžkou částici, což je konfigurace možná pouze tehdy, pokud byla kinetická energie srážky přeměněna na dodatečnou hmotnost částic. Při nízkých energiích srážky zůstala dynamika elastická; při vyšších energiích se otevřel neelastický kanál a jasně se objevil signál šikmosti.bioengineer+2

Škálovatelný nástroj pro částicovou fyziku

Ústředním bodem tohoto pokroku je nový algoritmus pro přípravu realistických rozptylových stavů na kvantovém hardwaru. Předchozí metody vyžadovaly hloubku obvodů, která rostla s velikostí vlnového balíku, což se na zařízeních s šumem rychle stalo nepraktickým. Nový přístup využívá stavy W – vícestranné provázané stavy – v kombinaci s měřeními uprostřed obvodu a operacemi dopředné vazby. Díky tomu je hloubka přípravného obvodu nezávislá na prostorovém objemu vlnového balíku, což je vlastnost, kterou autoři popisují jako „superexponenciální zlepšení“ oproti dřívějším technikám.bioengineer+1

Vědci demonstrovali všestrannost své metody konstrukcí obvodů pro několik dalších teorií, včetně Schwingerova modelu kvantové elektrodynamiky a dvourozměrné Isingovy teorie pole. Konečným cílem této linie výzkumu je kvantová chromodynamika, teorie ovládající kvarky a gluony, kde jsou neelastické procesy, jako je produkce hadronů, ústředním prvkem fyziky urychlovačů.bioengineer

Upozornění a horizonty

Simulovaná teorie zůstává jednorozměrná a experiment spoléhal na zmírnění chyb namísto plné kvantové opravy chyb. Rozšíření tohoto přístupu na teorie s vyšší dimenzí a dosažení přesnosti srovnatelné s experimentálními daty z urychlovačů jsou výzvy, které nás čekají. Přesto skutečnost, že šumový kvantový procesor může pozorovat přeměnu energie na hmotu v kvantové teorii pole, naznačuje, že budoucí, výkonnější stroje by mohly řešit problémy rozptylu v reálném čase, které zůstávají pro klasické počítače neřešitelné.nature+2