Κβαντικός υπολογιστής προσομοιώνει τη μετατροπή ενέργειας σε ύλη κατά τις συγκρούσεις σωματιδίων

Μια ομάδα φυσικών χρησιμοποίησε έναν ψηφιακό κβαντικό επεξεργαστή για να προσομοιώσει τη μετατροπή κινητικής ενέργειας σε νέα σωματίδια κατά τη διάρκεια μιας σύγκρουσης, μία από τις πιο θεμελιώδεις διαδικασίες στη φύση, σηματοδοτώντας ένα ορόσημο στη σύγκλιση της κβαντικής υπολογιστικής και της φυσικής υψηλών ενεργειών.

Η έρευνα, που δημοσιεύθηκε στο Nature Physics στις 11 Σεπτεμβρίου, διεξήχθη από τους Roland C. Farrell και John Preskill του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Καλιφόρνια (Caltech) σε συνεργασία με τους Nikita A. Zemlevskiy και Marc Illa του Πανεπιστημίου της Ουάσιγκτον. Εκτελούμενο σε 104 qubits του επεξεργαστή ibm_marrakesh της International Business Machines Corporation ↘ 0.64% με έως και 5.589 πύλες δύο qubits, το πείραμα αντιπροσωπεύει μία από τις πιο βαθιές κβαντικές προσομοιώσεις δυναμικής σκέδασης που έχουν αναφερθεί μέχρι σήμερα.bioengineer+2

Πώς η ενέργεια έγινε ύλη σε ένα chip

Η ομάδα προσομοίωσε συγκρούσεις εντός της μονοδιάστατης θεωρίας πεδίου Ising, ενός απλοποιημένου αλλά φυσικά πλούσιου μοντέλου αλληλεπιδρώντων σωματιδίων. Δύο κβαντικά κυματοπακέτα, το καθένα εκ των οποίων κωδικοποιούσε το ελαφρύτερο σωματίδιο της θεωρίας, στάλθηκαν το ένα προς το άλλο πάνω στο πλέγμα. Μετά τη σύγκρουση, οι ερευνητές μέτρησαν την ασυμμετρία της προκύπτουσας ενεργειακής πυκνότητας, ένα μέγεθος που διακρίνει την ελαστική σκέδαση, όπου τα σωματίδια απλώς αναπηδούν το ένα από το άλλο, από τα ανελαστικά γεγονότα όπου δημιουργείται νέα ύλη.scienmag+1

Οι μετρήσεις τους αποκάλυψαν μια τελική κατάσταση που περιείχε ένα ελαφρύ και ένα βαρύ σωματίδιο, μια διαμόρφωση δυνατή μόνο εάν η κινητική ενέργεια της σύγκρουσης είχε μετατραπεί σε πρόσθετη μάζα σωματιδίων. Σε χαμηλές ενέργειες σύγκρουσης, η δυναμική παρέμεινε ελαστική, ενώ σε υψηλότερες ενέργειες, το ανελαστικό κανάλι άνοιξε και το χαρακτηριστικό σήμα ασυμμετρίας εμφανίστηκε καθαρά.bioengineer+2

Μια κλιμακώσιμη εργαλειοθήκη για τη σωματιδιακή φυσική

Κεντρικό στοιχείο αυτής της προόδου είναι ένας νέος αλγόριθμος για την προετοιμασία ρεαλιστικών καταστάσεων σκέδασης σε κβαντικό υλικό. Οι προηγούμενες μέθοδοι απαιτούσαν βάθη κυκλωμάτων που αυξάνονταν με το μέγεθος του κυματοπακέτου, καθιστώντας τις γρήγορα μη πρακτικές σε θορυβώδεις συσκευές. Η νέα προσέγγιση χρησιμοποιεί καταστάσεις W, δηλαδή καταστάσεις πολυμερούς κβαντικής διεμπλοκής, σε συνδυασμό με μετρήσεις ενδιάμεσου κυκλώματος και λειτουργίες feed-forward. Αυτό καθιστά το βάθος του κυκλώματος προετοιμασίας ανεξάρτητο από τον χωρικό όγκο του κυματοπακέτου, μια ιδιότητα που οι συγγραφείς περιγράφουν ως μια υπερεκθετική βελτίωση σε σχέση με τις παλαιότερες τεχνικές.bioengineer+1

Οι ερευνητές απέδειξαν την ευελιξία της μεθόδου τους κατασκευάζοντας κυκλώματα για αρκετές άλλες θεωρίες, συμπεριλαμβανομένου του μοντέλου Schwinger της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής και της δισδιάστατης θεωρίας πεδίου Ising. Ο τελικός στόχος αυτής της σειράς ερευνών είναι η κβαντική χρωμοδυναμική, η θεωρία που διέπει τα κουάρκ και τα γλουόνια, όπου οι ανελαστικές διαδικασίες όπως η παραγωγή αδρονίων είναι κεντρικής σημασίας για τη φυσική των επιταχυντών.bioengineer

Επιφυλάξεις και ορίζοντες

Η προσομοιωμένη θεωρία παραμένει μονοδιάστατη και το πείραμα βασίστηκε στον μετριασμό σφαλμάτων αντί για πλήρη κβαντική διόρθωση σφαλμάτων. Η επέκταση της προσέγγισης σε θεωρίες υψηλότερων διαστάσεων και η επίτευξη ακρίβειας συγκρίσιμης με τα πειραματικά δεδομένα των επιταχυντών αποτελούν προκλήσεις που βρίσκονται μπροστά μας. Ωστόσο, η απόδειξη ότι ένας θορυβώδης κβαντικός επεξεργαστής μπορεί να παρατηρήσει τη μετατροπή ενέργειας σε ύλη σε μια κβαντική θεωρία πεδίου υποδηλώνει ότι μελλοντικές, ισχυρότερες μηχανές ενδέχεται να αντιμετωπίσουν προβλήματα σκέδασης σε πραγματικό χρόνο που παραμένουν δυσεπίλυτα για τους κλασικούς υπολογιστές.nature+2