Knækning af kvantekoden:Simuleringer sporer sammenfiltrede kvarker

I dag er ordet "kvante" overalt - i firmanavne, filmtitler, selv biografer. Men i sin kerne blev konceptet om et kvante – den mindste, diskrete mængde af noget – først udviklet for at forklare adfærden af ​​de mindste stykker stof og energi.

I løbet af det sidste århundrede har videnskabsmænd udviklet matematiske beskrivelser af, hvordan disse partikler og energipakker interagerer og brugt deres forståelse af "kvantemekanik" til at designe en række fantastiske teknologier – fra computere og mobiltelefoner til teleskoper og rumfartøjer.

Nye applikationer, såsom kraftfulde kvantecomputere og kvantekommunikationsnetværk, er lige over horisonten. Men selv før disse applikationer når mainstream, udvikler videnskabsmænd kvantekode til at udføre kvanteberegninger – og bruger den til at spore komplekse kvantesystemer.

I et nyligt eksempel kørte teoretikere og beregningsforskere ved US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory og Stony Brook University (SBU) en række kvantesimuleringer for at udforske et af de mest sære træk ved kvanteriget:sammenfiltring. Undersøgelsen tager kvantum tilbage til sine rødder i forsøget på at forklare subatomære partiklers opførsel.

"Den væsentlige idé bag sammenfiltring er, at to kvanteobjekter - for eksempel to partikler - kan korreleres eller være opmærksomme på hinanden, selvom de er adskilt af meget store afstande," forklarede Brookhaven Lab/SBU-teoretiker Dmitri Kharzeev, der ledede forskning. Einstein kaldte det "uhyggelig handling på afstand." Men utallige eksperimenter har vist, at den uhyggelige effekt er reel.

For at tage det et skridt videre, ønskede Kharzeev og hans kolleger at se, om sammenfiltring fortsætter i stråler af sekundære partikler - kaskader af partikler produceret af fragmenteringen af ​​formodet sammenfiltrede partikler, der udsendes fra højenergipartikelkollisioner. De udviklede simuleringer for at se efter korrelationer mellem partikler i en stråle med dem i en stråle, der produceres ryg-mod-ryg af den samme indledende begivenhed.

Deres simuleringer, beskrevet i en publikation i Physical Review Letters , afslørede vedvarende stærk sammenfiltring, i det mindste på korte afstande.

Resultaterne danner grundlag for at teste disse forudsigelser i kernefysiske eksperimenter ved Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) ved Brookhaven Lab, Large Hadron Collider (LHC) ved Europas CERN-laboratorium og den fremtidige Electron-Ion Collider (EIC), nu i designfasen i Brookhaven. Derudover giver metoden, som brugte kvantekode, der blev kørt på en klassisk supercomputer, indsigt i måder at eftermontere og udnytte eksisterende computeraktiver til at køre kvanteberegninger, indtil der kommer mere praktiske kvantecomputere.

Detektering af sekundær sammenfiltring

"Hvis du producerer en kvark og en antikvark ryg mod ryg i en højenergikollision, forventer du, at disse to partikler bliver viklet ind, fordi de blev produceret i samme interaktion," sagde studiets medforfatter Adrien Florio, en Goldhaber Fellow, der arbejder med Kharzeev i Brookhaven Labs fysikafdeling. "Men det er ikke let at opdage denne sammenfiltring, fordi vi ikke kan observere kvarker direkte. Kvarker og antikvarker skal altid være 'indskrænket' - parret eller tredoblet for at danne sammensatte partikler kaldet hadroner."

Den indespærrede gåde betyder, at så snart kvarken og antikvarken kommer frem fra sammenstødet, begynder de straks at opgive deres energi til det omgivende vakuum. Den energi genererer nye kvark-antikvark-par – en kaskade eller jet af bundne hadroner for hver indledende partikel.

Traditionelle modeller for jetproduktion giver probabilistiske beskrivelser af de partikler, der udgør jetflyene, i tre dimensioner. At lede efter en-til-en-korrelationer mellem en bestemt partikel i en stråle med en partikel i den anden ville være enormt udfordrende.

"Før quantum computing vidste vi ikke engang, hvordan vi skulle løse dette," sagde Florio.

Men ved at simulere partiklerne ved hjælp af qubits, de grundlæggende enheder i kvanteberegning, kunne forskerne teste, om de qubits, der repræsenterer individuelle punkter i rum og tid, var sammenfiltret. Derudover brugte de en enklere teoretisk ramme, der reducerede kompleksiteten af ​​jetflyene til kun to dimensioner – én rumlig dimension plus tid.

"Da kvarken og antikvarken er produceret ved meget høje energier, bevæger de sig som kugler i kvantevakuumet langs en lige linje," sagde Florio. "Vi leder bare efter korrelationer mellem qubits, der repræsenterer partikler langs den retlinjede bane over tid."

Entanglement entropi

Beregningerne blev designet i samarbejde med Kwang Min Yu fra Brookhaven Labs Computational Science Initiative (CSI) for at vise, om "entanglement-entropien" af en hadron på et bestemt punkt i et jetflys bane var korreleret med entanglement-entropien af ​​en hadron ved den tilsvarende punkt i den modsatte stråle.

"Entropi er et mål for usikkerhed," forklarede Kharzeev. "Når du har meget kaos og usikkerhed i dit liv, har dit liv en høj mængde entropi." Rene kvantetilstande har derimod nul entanglement entropi. "I sådanne tilstande er alt under kontrol. Du ved præcis, hvilken tilstand du er i, så der er ingen usikkerhed," sagde han.

Men hvis to rene kvantetilstande - partikler eller qubits - er viklet ind, "hvis du gør noget i den ene, så vil der ske noget i den anden," forklarede han. "Det betyder, at hvis jeg kun måler én, har jeg ikke fuldstændig information om den, fordi en del af dens tilstand er kontrolleret af en anden kvantetilstand, som jeg ikke har adgang til. Der vil være en vis usikkerhed om dens egenskaber og adfærd." Entropiværdien vil ikke være nul.

"Det er, som om du er i et tæt forhold til nogen, og hvad end denne person gør påvirker dig og omvendt. Så det betyder, at du ikke har fuldstændig kontrol over, hvad der foregår. Det er det samme på kvanteniveauet." sagde Kharzeev.

For at opdage disse sammenfiltringer ledte forskerne efter korrelationer mellem qubits, der repræsenterer partikler i forskellige afstande væk fra kollisionspunktet. Kharzeev sammenlignede beregningerne med at kaste terninger og måle sandsynligheden for, at kast med et bestemt tal på den ene ville give det samme tal på den anden.

"Med partiklerne bestemmer du, om en partikel, der produceres på et punkt i rummet, svarer til en på samme punkt i rummet på den modsatte side af kollisionen. Hvis de matcher én gang, kan det være en tilfældighed. Men hvis du kaster 'terninger' en million gange ved at studere millioner af begivenheder, og de viser dig altid identiske resultater, så ved du, at disse partikler er korreleret eller viklet ind," sagde han.

Forskerne fandt ud af, at kvantekorrelationerne mellem simulerede hadroner eksisterer og er ret stærke. "Men i vores simuleringer ser vi, at korrelationerne dør, hvis adskillelsen mellem sekundære partikler er stor," sagde han.

Resultaterne giver et grundlag for at teste, om sammenfiltring varer ved og dør ud med stigende afstand i eksperimenter på RHIC, LHC og fremtidige EIC.

Udnyttelse af computeraktiver

Selvom forskerne skrev deres simuleringer ved hjælp af kvantekode, kørte de beregningerne på en klassisk supercomputer ved National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) ved DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory.

"I øjeblikket kan du få meget meningsfulde resultater for et lille antal qubits, der simulerer deres adfærd på en klassisk computer," forklarede CSI's Yu.

Kharzeev og Yu arbejder sammen med samarbejdspartnere hos NVIDIA, firmaet, der oprindeligt udviklede de grafiske behandlingsenheder (GPU'er), der bruges i nutidens mest kraftfulde supercomputere, for at gøre klassiske computere endnu mere velegnede til at køre kvantesimuleringer.

"Du kan omarrangere kvanteportene for at optimere dem til at udføre kvantesimuleringer," sagde Yu.

Men selv disse optimerede klassiske computere vil i sidste ende toppe, når antallet af qubits, der er nødvendige til simuleringer, vokser – som det skal for at spore udviklingen af ​​jetfly i længere tid over større afstande, som et eksempel.

Mange bestræbelser er i gang for at forbedre ydeevnen af ​​kvantecomputere, især for at forbedre fejlreduktionen. Kharzeev deltager i dette arbejde som en del af Co-design Center for Quantum Advantage (C ² QA), et National Quantum Information Science (QIS) forskningscenter ledet af Brookhaven Lab.

"Mange mennesker arbejder på at løse udfordringerne ved at bygge kvantecomputere," sagde Kharzeev. "Jeg er overbevist om, at vi i den nærmeste fremtid vil være i stand til at køre en lang række mere komplekse kvantesimuleringer på disse næste generations maskiner ved at bruge den viden, vi allerede har opnået om kvanteinteraktioner til yderligere at udforske adfærden af kvantepartiklerne, der udgør vores verden."

Flere oplysninger: Adrien Florio et al., Real-Time Nonperturbative Dynamics of Jet Production i Schwinger Model:Quantum Entanglement and Vacuum Modification, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.021902

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af Brookhaven National Laboratory