Et kvantespring i partikelsimulering

En gruppe forskere ved Department of Energy's Fermilab har fundet ud af, hvordan vi kan bruge kvanteberegning til at simulere de grundlæggende interaktioner, der holder vores univers sammen.

I et papir udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , Fermilab -forskere udfylder et iøjnefaldende hul i modelleringen af ​​den subatomære verden ved hjælp af kvantecomputere, adresserer en familie af partikler, der, indtil for nylig, er blevet relativt forsømt i kvantesimuleringer.

De grundlæggende partikler, der udgør vores univers, kan opdeles i to grupper:partikler kaldet fermioner, som er byggestenene i stof, og partikler kaldet bosoner, som er feltpartikler og trækker på stofpartiklerne.

I de seneste år, forskere har med succes udviklet kvantealgoritmer til at beregne systemer lavet af fermioner. Men de har haft en meget hårdere tid med at gøre det samme for bosonsystemer.

For første gang, Fermilab-videnskabsmanden Alexandru Macridin har fundet en måde at modellere systemer, der indeholder både fermioner og bosoner på kvantecomputere til generelle formål, åbning af en dør til realistiske simuleringer af det subatomære område. Hans arbejde er en del af Fermilab kvantevidenskabsprogram.

"Repræsentationen af ​​bosoner i kvanteberegning blev aldrig behandlet særlig godt i litteraturen før, "Sagde Macridin." Vores metode fungerede, og bedre end vi havde forventet. "

Bosons relative uklarhed i kvanteberegningslitteratur har dels at gøre med bosoner selv og dels med måden, hvorpå kvantecomputerende forskning har udviklet sig.

I løbet af det sidste årti, udviklingen af ​​kvantealgoritmer fokuserede stærkt på at simulere rent fermioniske systemer, såsom molekyler i kvantekemi.

"Men inden for højenergifysik, vi har også bosoner, og højenergifysikere er særligt interesserede i interaktionerne mellem bosoner og fermioner, "sagde Fermilab -videnskabsmanden Jim Amundson, medforfatter på papiret Physical Review Letters. "Så vi tog eksisterende fermion -modeller og udvidede dem til at omfatte bosoner, og vi gjorde det på en ny måde. "

Den største barriere for modellering af bosoner relateret til egenskaberne af en qubit - en kvantebit.

Kortlægning af staterne

En qubit har to tilstande:en og nul.

Tilsvarende en fermion -tilstand har to forskellige tilstande:besat og ubeboet.

Qubits tostatsejendom betyder, at den kan repræsentere en fermiontilstand ret ligetil:En qubit-tilstand er tildelt "besat, " og den anden, "ubeboet."

(Du husker måske noget om besættelsen af ​​stater fra gymnasiets kemi:Atoms elektronorbitaler kan hver optages af maksimalt en elektron. Så de er enten besat eller ej. Disse orbitaler, på tur, kombineres for at danne elektronskaller, der omgiver kernen.)

En-til-en-kortlægningen mellem qubit-tilstand og fermion-tilstand gør det let at bestemme antallet af qubits, du skal bruge for at simulere en fermionisk proces. Hvis du har at gøre med et system med 40 fermion -tilstande, som et molekyle med 40 orbitaler, du skal bruge 40 qubits for at repræsentere det.

I en kvantesimulering, en forsker opretter qubits til at repræsentere den oprindelige tilstand af, sige, en molekylær proces. Derefter manipuleres qubitsne i henhold til en algoritme, der afspejler, hvordan denne proces udvikler sig.

Mere komplekse processer har brug for et større antal qubits. Efterhånden som tallet vokser, det samme gør den computerkraft, der er nødvendig for at udføre den. Men selv med kun en håndfuld qubits til rådighed, forskere er i stand til at tackle nogle interessante problemer i forbindelse med fermionprocesser.

"Der er en veludviklet teori om, hvordan man kortlægger fermioner på qubits, "sagde Fermilab -teoretikeren Roni Harnik, medforfatter af papiret.

Bosoner, naturens kraftpartikler, er en anden historie. Forretningen med at kortlægge dem bliver hurtigt kompliceret. Det er dels fordi, i modsætning til de begrænsede, to-valg fermion tilstand, boson -stater er meget imødekommende.

Modtagelse af bosoner

Da kun en fermion kan indtage en bestemt fermionkvantetilstand, denne tilstand er enten besat eller ej - en eller nul.

I modsætning, en bosontilstand kan være variabelt besat, plads til en boson, en zillion bosoner, eller noget derimellem. Det gør det svært at kortlægge bosoner til qubits. Med kun to mulige stater, en enkelt qubit kan ikke, af sig selv, repræsentere en boson -stat.

Med bosoner, spørgsmålet er ikke, om qubit repræsenterer en besat eller ubeboet tilstand, men hellere, hvor mange qubits er nødvendige for at repræsentere bosonstaten.

"Forskere har fundet på måder at kode bosoner i qubits, der ville kræve et stort antal qubits for at give dig nøjagtige resultater, "Sagde Amundson.

Et uoverkommeligt stort antal, i mange tilfælde. Ved nogle metoder, en nyttig simulering ville have brug for millioner af qubits for trofast at modellere en bosonproces, ligesom transformationen af ​​en partikel, der i sidste ende producerer en lyspartikel, som er en type boson.

Og det er bare ved at repræsentere procesens første opsætning, endsige at lade det udvikle sig.

Macridins løsning var at omarbejde bosonsystemet som noget andet, noget meget kendt for fysikere - en harmonisk oscillator.

Harmoniske oscillatorer er overalt i naturen, fra de subatomære til de astronomiske skalaer. Vibrationer af molekyler, strømpulsen gennem et kredsløb, op-og-ned-bob af en belastet fjeder, en planets bevægelse omkring en stjerne - alle er harmoniske oscillatorer. Selv bosoniske partikler, ligesom dem Macridin så ud til at simulere, kan behandles som små harmoniske oscillatorer. Takket være deres allestedsnærværende, harmoniske oscillatorer er velforståede og kan modelleres præcist.

Med en baggrund inden for kondenseret fysik-studiet af naturen et par hak op fra dets partikelfundament-var Macridin bekendt med modellering af harmoniske oscillatorer i krystaller. Han fandt en måde at repræsentere en harmonisk oscillator på en kvantecomputer, kortlægger sådanne systemer til qubits med enestående præcision og muliggør den præcise simulering af bosoner på kvantecomputere.

Og til en lav qubit -pris:At repræsentere en diskret harmonisk oscillator på en kvantecomputer kræver kun et par qubits, selvom oscillatoren repræsenterer et stort antal bosoner.

"Vores metode kræver et relativt lille antal qubits for bosonstater - eksponentielt mindre end hvad andre grupper tidligere havde foreslået, "Sagde Macridin." For andre metoder til at gøre det samme, de ville sandsynligvis have brug for størrelsesordener større antal qubits. "

Macridin anslår, at seks qubits pr. Boson -tilstand er nok til at udforske interessante fysikproblemer.

Simulation succes

Som en prøve på Macridins kortlægningsmetode, Fermilab -gruppen benyttede sig først af kvantefeltteori, en gren af ​​fysik, der fokuserer på modellering af subatomære strukturer. De modellerede med succes elektronernes interaktion i en krystal med vibrationerne i atomerne, der danner krystallen. 'Enheden' for den vibration er en boson kaldet en fonon.

Ved hjælp af en kvantesimulator på det nærliggende Argonne National Laboratory, de modellerede elektron-fononsystemet og-voila!-de viste, at de kunne beregne, med høj nøjagtighed, systemets egenskaber ved kun at bruge omkring 20 qubits. Simulatoren er en klassisk computer, der simulerer, hvordan en kvantecomputer, op til 35 qubits, arbejder. Argonne -forskere udnytter simulatoren og deres ekspertise inden for skalerbare algoritmer til at undersøge den potentielle indvirkning af kvanteberegning på nøgleområder som kvantekemi og kvantematerialer.

"Vi viste, at teknikken virkede, Sagde Harnik.

De viste endvidere, at ved at repræsentere bosoner som harmoniske oscillatorer, man kunne effektivt og præcist beskrive systemer, der involverer fermion-boson-interaktioner.

"Det viste sig at være en god pasform, "Sagde Amundson.

"Jeg startede med en idé, og det virkede ikke, så så ændrede jeg repræsentationen af ​​bosonerne, "Sagde Macridin." Og det fungerede godt. Det gør simuleringen af ​​fermion-bosonsystemer mulig for kortsigtede kvantecomputere. "

Universel anvendelse

Fermilab -gruppens simulering er ikke første gang, forskere har modelleret bosoner i kvantecomputere. Men i de andre tilfælde, forskere brugte hardware specielt designet til at simulere bosoner, så den simulerede udvikling af et bosonsystem ville ske naturligt, så at sige, på de specielle computere.

Fermilab-gruppens tilgang er den første, der kan anvendes effektivt til generelle formål, digital kvantecomputer, også kaldet en universel kvantecomputer.

Det næste trin for Macridin, Amundson og andre partikelfysikere på Fermilab skal bruge deres metode til problemer inden for højenergifysik.

"I naturen, fermion-boson-interaktioner er grundlæggende. De dukker op overalt, "Sagde Macridin." Nu kan vi udvide vores algoritme til forskellige teorier inden for vores område. "

Deres præstation rækker ud over partikelfysik. Amundson siger, at deres gruppe har hørt fra materialeforskere, der mener, at arbejdet kan være nyttigt til at løse problemer i den virkelige verden i en overskuelig fremtid.

"Vi introducerede bosoner på en ny måde, der kræver færre ressourcer, "Sagde Amundson." Det åbner virkelig en helt ny klasse af kvantesimuleringer. "