Quantencomputer simuliert Umwandlung von Energie in Materie bei Teilchenkollisionen

Ein Team von Physikern hat einen digitalen Quantenprozessor verwendet, um die Umwandlung von kinetischer Energie in neue Teilchen während einer Kollision zu simulieren, einer der grundlegendsten Prozesse in der Natur. Dies markiert einen Meilenstein in der Konvergenz von Quantencomputing und Hochenergiephysik.

Die Forschung, die am 11. September in Nature Physics veröffentlicht wurde, wurde von Roland C. Farrell und John Preskill vom California Institute of Technology zusammen mit Nikita A. Zemlevskiy und Marc Illa von der University of Washington durchgeführt. Das Experiment, das auf 104 Qubits des International Business Machines Corporation ↗ 3.96% ibm_marrakesh-Prozessors von IBM mit bis zu 5 589 Zwei-Qubit-Gattern lief, stellt eine der tiefsten bisher berichteten Quantensimulationen der Streudynamik dar.bioengineer+2

Wie Energie auf einem Chip zu Materie wurde

Das Team simulierte Kollisionen innerhalb der eindimensionalen Ising-Feldtheorie, einem vereinfachten, aber physikalisch reichhaltigen Modell interagierender Teilchen. Zwei Quantenwellenpakete, die jeweils das leichteste Teilchen der Theorie kodierten, wurden auf dem Gitter aufeinander zugeschossen. Nach der Kollision maßen die Forscher die Schiefe der resultierenden Energiedichte, eine Größe, die elastische Streuung, bei der Teilchen einfach voneinander abprallen, von inelastischen Ereignissen unterscheidet, bei denen neue Materie entsteht.scienmag+1

Ihre Messungen enthüllten einen Endzustand, der ein leichtes und ein schweres Teilchen enthielt, eine Konfiguration, die nur möglich ist, wenn die kinetische Energie der Kollision in zusätzliche Teilchenmasse umgewandelt wurde. Bei niedrigen Kollisionsenergien blieb die Dynamik elastisch; bei höheren Energien öffnete sich der inelastische Kanal und das verräterische Signal der Schiefe trat deutlich hervor.bioengineer+2

Ein skalierbares Werkzeug für die Teilchenphysik

Zentral für den Fortschritt ist ein neuer Algorithmus zur Vorbereitung realistischer Streuzustände auf Quantenhardware. Frühere Methoden erforderten Schaltungstiefen, die mit der Größe des Wellenpakets zunahmen und auf verrauschten Geräten schnell unpraktikabel wurden. Der neue Ansatz verwendet W-Zustände, also mehrteilig verschränkte Zustände, kombiniert mit Messungen während der Schaltung und Feed-Forward-Operationen. Dies macht die Tiefe der Vorbereitungsschaltung unabhängig vom räumlichen Volumen des Wellenpakets, eine Eigenschaft, die die Autoren als eine "superexponentielle Verbesserung" gegenüber früheren Techniken beschreiben.bioengineer+1

Die Forscher demonstrierten die Vielseitigkeit ihrer Methode durch die Konstruktion von Schaltungen für mehrere andere Theorien, einschließlich des Schwinger-Modells der Quantenelektrodynamik und der zweidimensionalen Ising-Feldtheorie. Das ultimative Ziel dieser Forschungsrichtung ist die Quantenchromodynamik, die Theorie, die Quarks und Gluonen regiert, bei der inelastische Prozesse wie die Hadronenproduktion für die Kollisionsphysik von zentraler Bedeutung sind.bioengineer

Vorbehalte und Horizonte

Die simulierte Theorie bleibt eindimensional, und das Experiment stützte sich auf Fehlerbegrenzung anstelle einer vollständigen Quantenfehlerkorrektur. Die Ausweitung des Ansatzes auf höherdimensionale Theorien und das Erreichen einer Präzision, die mit experimentellen Kollisionsdaten vergleichbar ist, sind Herausforderungen, die noch vor uns liegen. Dennoch deutet die Demonstration, dass ein verrauschter Quantenprozessor beobachten kann, wie Energie in einer Quantenfeldtheorie zu Materie wird, darauf hin, dass zukünftige, leistungsfähigere Maschinen Streuprobleme in Echtzeit angehen könnten, die für klassische Computer unlösbar bleiben.nature+2