Kortlægning af en kurs mod kvantesimuleringer af kernefysik

I kernefysik, ligesom meget af videnskaben, detaljerede teorier alene er ikke altid nok til at låse op for solide forudsigelser. Der er ofte for mange stykker, interagerer på komplekse måder, for forskere at følge en teoris logik til dens afslutning. Det er en af ​​grundene til, at der stadig er så mange mysterier i naturen, herunder hvordan universets grundlæggende byggesten smelter sammen og danner stjerner og galakser. Det samme gælder i højenergieksperimenter, hvor partikler som protoner smadrer sammen med utrolige hastigheder for at skabe ekstreme forhold, der ligner dem lige efter Big Bang.

Heldigvis, videnskabsmænd kan ofte bruge simuleringer for at skære igennem forviklingerne. En simulering repræsenterer de vigtige aspekter af et system - såsom et fly, en bys trafikstrøm eller et atom - som en del af en anden, mere tilgængeligt system (som et computerprogram eller en skalamodel). Forskere har brugt deres kreativitet til at gøre simuleringer billigere, hurtigere eller nemmere at arbejde med end de formidable emner, de undersøger – som protonkollisioner eller sorte huller.

Simuleringer går ud over et spørgsmål om bekvemmelighed; de er essentielle for at tackle sager, der både er for svære at observere direkte i eksperimenter og for komplekse til, at videnskabsmænd kan pirre enhver logisk konklusion ud fra grundlæggende principper. Forskellige forskningsgennembrud – fra modellering af de komplekse vekselvirkninger mellem molekylerne bag livet til at forudsige de eksperimentelle signaturer, der i sidste ende muliggjorde identifikation af Higgs-bosonen – er resultatet af den geniale brug af simuleringer.

Men konventionelle simuleringer kommer dig kun så langt. I mange tilfælde, en simulering kræver så mange beregninger, at de bedste computere, der nogensinde er bygget, ikke kan gøre meningsfulde fremskridt – heller ikke hvis du er villig til at vente hele dit liv.

Nu, kvantesimulatorer (som udnytter kvanteeffekter som superposition og sammenfiltring) lover at bringe deres magt til at løse mange problemer, der har nægtet at give efter for simuleringer bygget oven på klassiske computere - inklusive problemer inden for kernefysik. Men for at køre enhver simulering, kvante eller andet, videnskabsmænd skal først bestemme, hvordan de trofast repræsenterer deres interessesystem i deres simulator. De skal lave et kort mellem de to.

Beregningskernefysiker Zohreh Davoudi, en assisterende professor i fysik ved University of Maryland (UMD), samarbejder med forskere ved JQI for at udforske, hvordan kvantesimuleringer kan hjælpe kernefysikere. De arbejder på at skabe nogle af de første kort mellem teorierne, der beskriver grundlaget for kernefysik, og de tidlige kvantesimulatorer og kvantecomputere, der bliver sat sammen i laboratorier.

"Det ser ud til, at vi er på nippet til at gå ind i den næste fase af computing, der udnytter kvantemekanikken, " siger Davoudi. "Og hvis nuklear videnskabsmænd ikke kommer ind på dette område nu - hvis vi ikke begynder at flytte vores problemer ind i sådan kvantehardware, vi kan muligvis ikke indhente det senere, fordi kvanteberegning udvikler sig meget hurtigt."

Davoudi og flere kolleger, herunder JQI Fellows Chris Monroe og Mohammad Hafezi, designet deres tilgang til at lave kort med et øje mod kompatibilitet med kvanteteknologierne i horisonten. I et nyt papir udgivet 8. april, 2020 i tidsskriftet Physical Review Research, de beskriver deres nye metode, og hvordan den skaber nye simuleringsmuligheder for forskere at udforske.

"Det er endnu ikke klart, præcis hvor kvantecomputere vil blive brugt med fordel, " siger Monroe, som også er professor i fysik ved UMD og medstifter af kvantecomputerstartup IonQ. "En strategi er at implementere dem på problemer, der er baseret i kvantefysik. Der er mange tilgange inden for elektronisk struktur og kernefysik, der er så belastende for normale computere, at kvantecomputere kan være en vej frem."

Mønstre og kontrol

Som et første mål, holdet satte deres blikke på teorier om gittermåler. Gauge teorier beskriver en bred vifte af fysik, inklusive kvarker og gluoners indviklede dans - de grundlæggende partikler i kernefysikken. Gitterversioner af målingsteorier forenkler beregninger ved at begrænse alle partiklerne og deres interaktioner til et ordnet gitter, som brikker på et skakbræt.

Selv med denne forenkling, moderne computere kan stadig kvæles, når de simulerer tætte klumper af stof, eller når de sporer, hvordan stof ændrer sig over tid. Holdet mener, at kvantecomputere kan overvinde disse begrænsninger og i sidste ende simulere mere udfordrende typer måleteorier - såsom kvantekromodynamik, som beskriver de stærke vekselvirkninger, der binder kvarker og gluoner til protoner og neutroner og holder dem sammen som atomkerner.

Davoudi og hendes kolleger valgte fangede atomære ioner - Monroes speciale - som det fysiske system til at udføre deres simulering. I disse systemer, ioner, som er elektrisk ladede atomer, svæve, hver fanget af et omgivende elektrisk eller magnetisk felt. Forskere kan designe disse felter til at arrangere ionerne i forskellige mønstre, der kan bruges til at lagre og overføre information. For dette forslag, holdet fokuserede på ioner organiseret i en lige linje.

Forskere bruger lasere til at kontrollere hver ion og dens interaktioner med naboer - en væsentlig evne, når man laver en nyttig simulering. Ionerne er meget mere tilgængelige end de mindre partikler, der fascinerer Davoudi. Kernefysikere kan kun drømme om at opnå det samme niveau af kontrol over vekselvirkningerne i atomernes hjerter.

"Tag et problem på femtometerskalaen, og udvid det til mikronskala - det øger vores kontrolniveau dramatisk, " siger Hafezi, der også er lektor på Institut for Elektro- og Computerteknik og Institut for Fysik på UMD. "Forestil dig, at du skulle dissekere en myre. Nu er myren strakt til afstanden mellem Boston og Los Angeles."

Mens de designer deres kortfremstillingsmetode, holdet så på, hvad der kan gøres med hyldelasere. De indså, at den nuværende teknologi gør det muligt for ionfangere at opsætte lasere i en ny, effektiv måde, der giver mulighed for samtidig kontrol af tre forskellige spin-interaktioner for hver ion.

"Trapped-ion-systemer kommer med en værktøjskasse til at simulere disse problemer, " siger Hafezi. "Deres fantastiske egenskab er, at nogle gange kan du gå tilbage og designe flere værktøjer og tilføje det til kassen."

Med denne mulighed i tankerne, forskerne udviklede en procedure til fremstilling af kort med to ønskværdige funktioner. Først, kortene maksimerer, hvor trofast ion-fælde-simuleringen matcher en ønsket gittermåler-teori. Sekund, de minimerer de fejl, der opstår under simuleringen.

I avisen, forskerne beskriver, hvordan denne tilgang kan tillade en endimensionel streng af ioner at simulere nogle få simple gittermåler-teorier, ikke kun i én dimension, men også højere dimensioner. Med denne tilgang, adfærden af ​​ionspind kan skræddersyes og kortlægges til en række fænomener, der kan beskrives ved gittermålteorier, såsom dannelse af stof og antimateriale ud af et vakuum.

"Som atomteoretiker, Jeg er spændt på at arbejde videre med teoretikere og eksperimentalister med ekspertise inden for atomare, molekylær, og optisk fysik og i ion-fælde teknologi til at løse mere komplekse problemer, " siger Davoudi. "Jeg forklarede det unikke ved mit problem og mit system, og de forklarede funktionerne og mulighederne i deres system, så brainstormede vi ideer til, hvordan vi kan lave denne kortlægning."

Monroe påpeger, at "det er præcis, hvad der er nødvendigt for fremtiden for kvantecomputere. Dette 'co-design' af enheder, der er skræddersyet til specifikke applikationer, er det, der gør feltet frisk og spændende."

Analog vs. Digital

Simuleringerne foreslået af Davoudi og hendes kolleger er eksempler på analoge simuleringer, da de direkte repræsenterer elementer og interaktioner i et system med dem i et andet system. Generelt, analoge simulatorer skal være designet til et bestemt problem eller sæt af problemer. Dette gør dem mindre alsidige end digitale simulatorer, som har et etableret sæt af diskrete byggeklodser, der kan sættes sammen til at simulere næsten alt, givet tid og ressourcer nok.

Alsidigheden af ​​digitale simuleringer har ændret verden, men et veldesignet analogt system er ofte mindre komplekst end dets digitale modstykke. Omhyggeligt designede kvanteanaloge simuleringer kan give resultater for visse problemer, før kvantecomputere pålideligt kan udføre digitale simuleringer. Dette ligner bare at bruge en vindtunnel i stedet for at programmere en computer til at modellere, hvordan vinden bufferer alt fra en gås til et eksperimentelt jagerfly.

Monroes hold, i samarbejde med medforfatter Guido Pagano, en tidligere JQI postdoc-forsker, som nu er adjunkt ved Rice University, arbejder på at implementere den nye analoge tilgang inden for de næste par år. Det færdige system skulle være i stand til at simulere en række forskellige gittermålteorier.

Forfatterne siger, at denne forskning kun er begyndelsen på en længere vej. Da gittermåleteorier er beskrevet på matematisk lignende måder som andre kvantesystemer, forskerne er optimistiske om, at deres forslag vil finde anvendelser ud over kernefysik, såsom i kondenseret stof fysik og materialevidenskab. Davoudi arbejder også på at udvikle digitale kvantesimuleringsforslag med Monroe og Norbert Linke, en anden JQI Fellow. Hun håber, at de to projekter vil afsløre fordele og ulemper ved hver tilgang og give indsigt i, hvordan forskere kan tackle kernefysiske problemer med den fulde kraft af kvanteberegning.

"Vi ønsker til sidst at simulere teorier af en mere kompleks karakter og især kvantekromodynamik, der er ansvarlig for den stærke kraft i naturen, " siger Davoudi. "Men det kræver måske, at man tænker endnu mere ud af boksen."