IBM-kvantdator simulerar hadronisering för första gången

En fysiker vid Lawrence Berkeley National Laboratory har använt en kvantdator från IBM International Business Machines Corporation för att simulera hadronisering – processen genom vilken kvarkar binds samman via den starka kärnkraften för att bilda sammansatta partiklar som protoner och neutroner. Detta markerar ett steg mot kvantberäkningar som en dag kan överträffa klassiska superdatorer i modellering av den subatomära världen.

Att överbrygga klyftan inom partikelfysik

Anthony Ciavarella, forskaren vid Berkeley Lab som ledde projektet, fick fjärråtkomst till en Heron-processor på IBM Quantum Platform via Oak Ridge National Laboratorys användarprogram för kvantdatorer. Han utnyttjade 104 av dess 156 kvantbitar för att simulera brott i gluonsträngar i en rumslig dimension. Resultaten, som publicerades i Physical Review D, stämde överens med tidigare beräkningar utförda på klassiska superdatorer.olcf.ornl+2

Hadronisering är centralt för att förstå vad som händer inuti partikelacceleratorer som CERN:s Large Hadron Collider, där protoner krockar i nära ljusets hastighet. De resulterande kvarkarna och antikvarkarna genomgår hadronisering för snabbt för att kunna observeras direkt, vilket gör datorsimuleringar nödvändiga för att fylla observationsluckor.ornl+1

"I princip känner vi till teorin som beskriver hadronisering, men vi kan inte göra förutsägelser med den eftersom beräkningarna har varit för svåra för en klassisk dator", sa Ciavarella. "På en kvantdator bör vi kunna göra direkta förutsägelser om detaljerna i hur hadronisering sker, vilket kommer att hjälpa i sökandet efter ny fysik vid acceleratorer som LHC."phys+1

En förenklad modell med större ambitioner

Ciavarella använde flera förenklingar för att göra beräkningen hanterbar på nuvarande hårdvara: en gräns för tunga kvarkar, en endimensionell rumslig modell och en teknik han var med och utvecklade kallad en "skalbar kretsbaserad, samtidig variationell kvantlösare" för att förbereda kvantbitarna i ett stabilt vakuumtillstånd. Ett anmärkningsvärt fynd som reproducerades från tidigare klassiskt arbete var att mitten av gluonsträngen verkar bete sig som om den förgasas vid en ändlig temperatur innan den bryts – ett drag som, om det bekräftas i flera modeller, kan återspegla faktisk kvantkromodynamik.ornl+1

Framåtblickande

Ciavarella planerar att lägga till en andra rumslig dimension i framtida arbete i takt med att kvanthårdvara och algoritmer förbättras. Projektet, som stöds av energidepartementets program för avancerad vetenskaplig databehandlingsforskning, är utformat för att etablera de beräkningsmallar som fysiker kommer att behöva när större och mer tillförlitliga kvantprocessorer blir tillgängliga.olcf.ornl+1