Kvantdator simulerar hur energi blir materia i partikelkollisioner

Ett team av fysiker har använt en digital kvantprocessor för att simulera omvandlingen av kinetisk energi till nya partiklar under en kollision, en av de mest fundamentala processerna i naturen, vilket markerar en milstolpe i konvergensen mellan kvantdatorer och högenergifysik.

Forskningen, som publicerades i Nature Physics den 11 september, utfördes av Roland C. Farrell och John Preskill från California Institute of Technology tillsammans med Nikita A. Zemlevskiy och Marc Illa från University of Washington. Genom att köra på 104 kvantbitar på IBMs International Business Machines Corporation ↗ 3.96% ibm_marrakesh-processor med upp till 5 589 två-kvantbit-grindar, representerar experimentet en av de djupaste kvantsimuleringarna av spridningsdynamik som rapporterats hittills.bioengineer+2

Hur energi blev materia på ett chip

Teamet simulerade kollisioner inom den endimensionella Ising-fältteorin, en förenklad men fysiskt rik modell av interagerande partiklar. Två kvantvågpaket, som vardera kodade den lättaste partikeln i teorin, skickades mot varandra på gitteret. Efter kollisionen mätte forskarna skevheten i den resulterande energitätheten, en storhet som skiljer elastisk spridning, där partiklar bara studsar mot varandra, från inelastiska händelser där ny materia skapas.scienmag+1

Deras mätningar avslöjade ett sluttillstånd som innehöll en lätt och en tung partikel, en konfiguration som endast är möjlig om kollisionens kinetiska energi hade omvandlats till extra partikelmassa. Vid låga kollisionsenergier förblev dynamiken elastisk; vid högre energier öppnades den inelastiska kanalen och den tydliga signalen för skevhet framträdde.bioengineer+2

En skalbar verktygslåda för partikelfysik

Centralt för framsteget är en ny algoritm för att förbereda realistiska spridningstillstånd på kvantmaskinvara. Tidigare metoder krävde kretsdjup som ökade med vågpaketets storlek, vilket snabbt blev opraktiskt på brusiga enheter. Den nya metoden använder W-tillstånd, det vill säga sammanflätade tillstånd med flera partiklar, kombinerat med mätningar mitt i kretsen och feed-forward-operationer. Detta gör att förberedelsekretsens djup är oberoende av vågpaketets rumsliga volym, en egenskap som författarna beskriver som en "superexponentiell förbättring" jämfört med tidigare tekniker.bioengineer+1

Forskarna demonstrerade metodens mångsidighet genom att konstruera kretsar för flera andra teorier, inklusive Schwinger-modellen för kvantelektrodynamik och tvådimensionell Ising-fältteori. Det slutgiltiga målet för denna forskningslinje är kvantkromodynamik, teorin som styr kvarkar och gluoner, där inelastiska processer som hadronproduktion är centrala för kollisionsfysik.bioengineer

Förbehåll och horisonter

Den simulerade teorin förblir endimensionell, och experimentet förlitade sig på felbegränsning snarare än fullständig kvantfelkorrigering. Att utöka metoden till högre dimensionella teorier och uppnå precision som kan jämföras med experimentella kollisionsdata är utmaningar som ligger framför oss. Ändå antyder demonstrationen av att en brusig kvantprocessor kan bevittna energi som blir till materia i en kvantfältteori att framtida, kraftfullare maskiner kan hantera spridningsproblem i realtid som förblir olösliga för klassiska datorer.nature+2