IBM-kvantedatamaskin simulerer hadronisering for første gang

En fysiker ved Lawrence Berkeley National Laboratory har brukt en kvantedatamaskin fra IBM International Business Machines Corporation til å simulere hadronisering – prosessen der kvarker binder seg sammen gjennom den sterke kjernekraften for å danne sammensatte partikler som protoner og nøytroner. Dette markerer et skritt mot kvanteberegninger som en dag kan overgå klassiske superdatamaskiner i modellering av den subatomære verden.

Brobygging i partikkelfysikk

Anthony Ciavarella, forskeren ved Berkeley Lab som ledet prosjektet, fikk ekstern tilgang til en Heron-prosessor på IBM Quantum Platform gjennom Oak Ridge National Laboratorys brukertilgangsprogram for kvantedatamaskiner. Han utnyttet 104 av de 156 qubitene til å simulere brudd i gluonstrenger i én romlig dimensjon. Resultatene, publisert i Physical Review D, samsvarte med tidligere beregninger utført på klassiske superdatamaskiner.olcf.ornl+2

Hadronisering er sentralt for å forstå hva som skjer inne i partikkelakseleratorer som CERNs Large Hadron Collider, hvor protoner kolliderer med nær lysets hastighet. De resulterende kvarkene og antikvarkene gjennomgår hadronisering for raskt til å kunne observeres direkte, noe som gjør datasimuleringer essensielle for å fylle observasjonsgap.ornl+1

«I prinsippet kjenner vi teorien som beskriver hadronisering, men vi er ikke i stand til å lage prediksjoner ved hjelp av den fordi beregningene har vært for vanskelige for en klassisk datamaskin,» sa Ciavarella. «På en kvantedatamaskin bør vi kunne lage direkte prediksjoner for detaljene i hvordan hadronisering skjer, noe som vil hjelpe i søket etter ny fysikk utført ved akseleratorer som LHC.»phys+1

En forenklet modell med større ambisjoner

Ciavarella benyttet flere forenklinger for å gjøre beregningen håndterbar på nåværende maskinvare: en grense for tunge kvarker, en endimensjonal romlig modell, og en teknikk han var med på å utvikle kalt en «skalerbar kretsbasert, samtidig variasjonell kvanteløser» for å forberede qubitene i en stabil vakuumtilstand. Et bemerkelsesverdig funn som ble reprodusert fra tidligere klassisk arbeid, var at midten av gluonstrengen ser ut til å oppføre seg som om den forgasses ved en endelig temperatur før den brytes – et trekk som, hvis det bekreftes på tvers av flere modeller, kan reflektere faktisk kvantekromodynamikk.ornl+1

Veien videre

Ciavarella planlegger å legge til en andre romlig dimensjon i fremtidig arbeid etter hvert som kvantemaskinvare og algoritmer forbedres. Prosjektet, støttet av energidepartementets program for avansert vitenskapelig databehandlingsforskning, er designet for å etablere beregningsmalene som fysikere vil trenge når større og mer pålitelige kvanteprosessorer blir tilgjengelige.olcf.ornl+1