Anvendelse af kvanteberegning til en partikelproces

Et team af forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) brugte en kvantecomputer til med succes at simulere et aspekt af partikelkollisioner, der typisk negligeres i fysiske eksperimenter med høj energi, såsom dem, der forekommer ved CERNs Large Hadron Collider.

Kvantealgoritmen, de udviklede, tegner sig for kompleksiteten af ​​partonbrusere, som er komplicerede udbrud af partikler produceret i kollisionerne, der involverer partikelproduktion og forfaldsprocesser.

Klassiske algoritmer, der typisk bruges til at modellere parton -brusere, såsom de populære Markov Chain Monte Carlo -algoritmer, overse flere kvantebaserede effekter, bemærker forskerne i en undersøgelse, der blev offentliggjort online den 10. februar i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve der beskriver deres kvantealgoritme.

"Vi har i det væsentlige vist, at du kan sætte en parton -bruser på en kvantecomputer med effektive ressourcer, sagde Christian Bauer, som er teorigruppeleder og fungerer som hovedforsker for kvantecomputeringsindsats i Berkeley Labs Physics Division, "og vi har vist, at der er visse kvanteeffekter, der er svære at beskrive på en klassisk computer, som du kan beskrive på en kvantecomputer." Bauer ledede den nylige undersøgelse.

Deres fremgangsmåde hænger sammen kvante- og klassisk computing:Den bruger kun kvanteløsningen til den del af partikelkollisionerne, der ikke kan behandles med klassisk computing, og bruger klassisk computing til at løse alle de andre aspekter af partikelkollisionerne.

Forskere konstruerede en såkaldt "legetøjsmodel, "en forenklet teori, der kan køres på en egentlig kvantecomputer, mens den stadig indeholder nok kompleksitet, der forhindrer den i at blive simuleret ved hjælp af klassiske metoder.

"Hvad en kvantealgoritme gør, er at beregne alle mulige resultater på samme tid, vælger derefter en, "Bauer sagde." Efterhånden som dataene bliver mere og mere præcise, vores teoretiske forudsigelser skal blive mere og mere præcise. Og på et tidspunkt bliver disse kvanteeffekter store nok til, at de faktisk betyder noget, "og skal redegøres for.

Ved konstruktionen af ​​deres kvantealgoritme, forskere indregnet i de forskellige partikelprocesser og resultater, der kan forekomme i en parton -bruser, regnskab for partikel tilstand, partikelemissionshistorik, om der opstod emissioner, og antallet af partikler produceret i brusebadet, inklusive separate tællinger for bosoner og for to typer fermioner.

Kvantecomputeren "beregnede disse historier på samme tid, og opsummerede alle mulige historier på hvert mellemtrin, "Noterede Bauer.

Forskergruppen brugte IBM Q Johannesburg -chippen, en kvantecomputer med 20 qubits. Hver qubit, eller kvantebit, er i stand til at repræsentere et nul, en, og en tilstand med såkaldt superposition, hvor den repræsenterer både et nul og et én samtidigt. Denne superposition er det, der gør qubits unikt kraftfulde i forhold til standard computerbits, som kan repræsentere et nul eller et.

Forskere konstruerede et firetrins kvantecomputerkredsløb ved hjælp af fem qubits, og algoritmen kræver 48 operationer. Forskere bemærkede, at støj i kvantecomputeren sandsynligvis er skyld i forskelle i resultater med kvantesimulatoren.

Mens teamets banebrydende indsats for at anvende quantum computing til en forenklet del af partikelkollider -data er lovende, Bauer sagde, at han ikke forventer, at kvantecomputere vil have en stor indvirkning på det højenergiske fysikfelt i flere år-i hvert fald indtil hardwaren forbedres.

Kvantecomputere har brug for flere qubits og meget lavere støj for at få et reelt gennembrud, Sagde Bauer. "Meget afhænger af, hvor hurtigt maskinerne bliver bedre." Men han bemærkede, at der er en enorm og voksende indsats for at få det til at ske, og det er vigtigt at begynde at tænke på disse kvantealgoritmer nu for at være klar til de kommende fremskridt inden for hardware.

Sådanne kvantespring inden for teknologi er et hovedfokus for et Energy Department-støttet kollaborativt kvantef &U-center, som Berkeley Lab er en del af, kaldet Quantum Systems Accelerator.

Efterhånden som hardware forbedres, vil det være muligt at redegøre for flere typer bosoner og fermioner i kvantealgoritmen, hvilket vil forbedre dens nøjagtighed.

Sådanne algoritmer bør i sidste ende have bred indflydelse på det højenergiske fysikfelt, han sagde, og kunne også finde anvendelse i heavy-ion-collider eksperimenter.