Un ordenador cuántico simula la conversión de energía en materia durante colisiones de partículas

Un equipo de físicos ha utilizado un procesador cuántico digital para simular la conversión de energía cinética en nuevas partículas durante una colisión, uno de los procesos más fundamentales de la naturaleza, marcando un hito en la convergencia de la computación cuántica y la física de altas energías.

La investigación, publicada en Nature Physics el 11 de septiembre, fue llevada a cabo por Roland C. Farrell y John Preskill del Instituto de Tecnología de California junto con Nikita A. Zemlevskiy y Marc Illa de la Universidad de Washington. Ejecutado en 104 cúbits del procesador ibm_marrakesh de International Business Machines Corporation ↗ 3.96% con hasta 5,589 puertas de dos cúbits, el experimento representa una de las simulaciones cuánticas de dinámica de dispersión más profundas reportadas hasta la fecha.bioengineer+2

Cómo la energía se convirtió en materia en un chip

El equipo simuló colisiones dentro de la teoría de campo de Ising unidimensional, un modelo simplificado pero físicamente rico de partículas en interacción. Dos paquetes de ondas cuánticas, cada uno codificando la partícula más ligera de la teoría, fueron lanzados uno contra el otro en la red. Tras la colisión, los investigadores midieron la asimetría de la densidad de energía resultante, una cantidad que distingue la dispersión elástica, donde las partículas simplemente rebotan entre sí, de los eventos inelásticos donde se crea nueva materia.scienmag+1

Sus mediciones revelaron un estado final que contenía una partícula ligera y una pesada, una configuración posible solo si la energía cinética de la colisión se hubiera convertido en masa de partícula adicional. A bajas energías de colisión, la dinámica permaneció elástica; a energías más altas, el canal inelástico se abrió y la señal de asimetría característica surgió claramente.bioengineer+2

Una caja de herramientas escalable para la física de partículas

Fundamental para este avance es un nuevo algoritmo para preparar estados de dispersión realistas en hardware cuántico. Los métodos anteriores requerían profundidades de circuito que crecían con el tamaño del paquete de ondas, volviéndose rápidamente poco prácticos en dispositivos ruidosos. El nuevo enfoque utiliza estados W, estados entrelazados multipartitos, combinados con mediciones a mitad de circuito y operaciones de prealimentación. Esto hace que la profundidad del circuito de preparación sea independiente del volumen espacial del paquete de ondas, una propiedad que los autores describen como una mejora superexponencial sobre las técnicas anteriores.bioengineer+1

Los investigadores demostraron la versatilidad de su método construyendo circuitos para varias otras teorías, incluido el modelo de Schwinger de la electrodinámica cuántica y la teoría de campo de Ising bidimensional. El objetivo final de esta línea de investigación es la cromodinámica cuántica, la teoría que rige a los quarks y gluones, donde los procesos inelásticos como la producción de hadrones son fundamentales para la física de colisionadores.bioengineer

Advertencias y horizontes

La teoría simulada sigue siendo unidimensional y el experimento se basó en la mitigación de errores en lugar de una corrección de errores cuánticos completa. Extender el enfoque a teorías de dimensiones superiores y lograr una precisión comparable a los datos experimentales de colisionadores son desafíos que quedan por delante. Aún así, la demostración de que un procesador cuántico ruidoso puede observar cómo la energía se convierte en materia en una teoría cuántica de campos sugiere que futuras máquinas más potentes podrían abordar problemas de dispersión en tiempo real que siguen siendo intratables para los ordenadores clásicos.nature+2