Team simulerer kolliderfysik på kvantecomputer

Lawrence Berkeley National Laboratory fysikere Christian Bauer, Marat Freytsis og Benjamin Nachman har udnyttet en IBM Q kvantecomputer gennem Oak Ridge Leadership Computing Facility's Quantum Computing User Program til at fange en del af en beregning af to protoner, der kolliderer. Beregningen kan vise sandsynligheden for, at en udgående partikel vil udsende yderligere partikler.

I holdets seneste papir, offentliggjort i Physical Review Letters , beskriver forskerne, hvordan de brugte en metode kaldet effektiv feltteori til at nedbryde deres fulde teori i komponenter. I sidste ende udviklede de en kvantealgoritme til at tillade beregning af nogle af disse komponenter på en kvantecomputer, mens andre beregninger efterlades til klassiske computere.

"For en teori, der er tæt på naturen, viste vi, hvordan dette ville fungere i princippet. Så tog vi en meget forenklet version af den teori og lavede en eksplicit beregning på en kvantecomputer," sagde Nachman.

Berkeley Lab-teamet sigter mod at afdække indsigt om naturens mindste byggesten ved at observere højenergipartikelkollisioner i laboratoriemiljøer, såsom Large Hadron Collider i Genève, Schweiz. Holdet undersøger, hvad der sker i disse kollisioner ved at bruge beregninger til at sammenligne forudsigelser med det faktiske kollisionsaffald.

"En af vanskelighederne ved denne form for beregninger er, at vi ønsker at beskrive en lang række energier," sagde Nachman. "Vi ønsker at beskrive processer med højeste energi ned til processer med lavest energi ved at analysere de tilsvarende partikler, der flyver ind i vores detektor."

At bruge en kvantecomputer alene til at løse denne form for beregninger kræver et antal qubits, der er langt ud over de kvanteberegningsressourcer, der er tilgængelige i dag. Holdet kan beregne disse problemer på klassiske systemer ved hjælp af tilnærmelser, men disse ignorerer vigtige kvanteeffekter. Derfor sigtede teamet efter at opdele beregningen i forskellige bidder, der enten var velegnede til klassiske systemer eller kvantecomputere.

Holdet kørte eksperimenter på IBM Q gennem OLCF's QCUP-program ved det amerikanske energiministeriums Oak Ridge National Laboratory for at verificere, at de kvantealgoritmer, de udviklede, reproducerede de forventede resultater i en lille skala, som stadig kan beregnes og bekræftes med klassiske computere.

"Dette er et absolut kritisk demonstrationsproblem," sagde Nachman. "For os er det vigtigt, at vi beskriver disse partiklers egenskaber teoretisk og så rent faktisk implementerer en version af dem på en kvantecomputer. En masse udfordringer, der opstår, når man kører på en kvantecomputer, sker ikke teoretisk. Vores algoritme skalerer, så når vi får flere kvanteressourcer, vil vi være i stand til at lave beregninger, som vi ikke kunne lave klassisk."

Holdet sigter også mod at gøre kvantecomputere brugbare, så de kan udføre den slags videnskab, de håber at gøre. Kvantecomputere er støjende, og denne støj introducerer fejl i beregningerne. Derfor implementerede teamet også fejlbekæmpelsesteknikker, som de havde udviklet i tidligere arbejde.

Dernæst håber holdet at tilføje flere dimensioner til deres problem, dele deres plads op i et mindre antal punkter og skalere størrelsen af ​​deres problem op. Til sidst håber de at lave beregninger på en kvantecomputer, som ikke er mulige med klassiske computere.

"De kvantecomputere, der er tilgængelige gennem ORNL's IBM Q-aftale, har omkring 100 qubits, så vi burde være i stand til at skalere op til større systemstørrelser," sagde Nachman.

Forskerne håber også at slække på deres tilnærmelser og flytte til fysikproblemer, der er tættere på naturen, så de kan udføre beregninger, der er mere end proof of concept. + Udforsk yderligere

Mod en kvantecomputer, der beregner molekylær energi