Simulările coliziunilor de particule devin mai eficiente cu ajutorul calculului cuantic
Cercetătorii de la Institutul de Tehnologie din California și Universitatea din Washington au dezvoltat o metodă nouă care permite computerelor cuantice să pregătească pachetele de unde inițiale pentru simularea coliziunilor de particule mult mai eficient. Rezultatele au fost publicate în revista Nature Physics.
Abordarea le-a permis oamenilor de știință să simuleze coliziuni de particule pe un procesor cuantic IBM cu 104 qubiți. Aceștia au pregătit pachete de unde și au urmărit în timp real cum energia particulelor care se ciocnesc se transformă în masa unor particule noi — o manifestare directă a ecuației lui Einstein, E = mc².
Un algoritm mai eficient pentru pregătirea stării inițiale
Primul pas într-o astfel de simulare cuantică este pregătirea stării inițiale: două particule de înaltă energie care se deplasează una spre cealaltă. Metodele existente făceau acest lucru imposibil pe hardware-ul actual, motiv pentru care echipa a dezvoltat un algoritm cuantic mai eficient.
Simulările s-au bazat pe un model simplificat al interacțiunilor dintre particule, numit teoria câmpului Ising unidimensional. După pregătirea stării inițiale, sistemul este evoluat în timp prin aplicarea unor porți cuantice care aproximează evoluția hamiltoniană. Pe măsură ce timpul avansează, particulele se apropie, interacționează și formează o stare post-coliziune, iar producția de particule este identificată prin măsurarea proprietăților acestei stări, cum ar fi densitatea de energie.
Rezultate la energii joase și înalte
La energii joase, coliziunea dintre două pachete de unde cu particule ușoare nu a produs particule noi, cele două particule ușoare depărtându-se după ciocnire. La energii mai mari, însă, coliziunea a putut transforma una dintre particulele ușoare într-o particulă grea, o parte din energia coliziunii furnizând masa suplimentară.
„La energii joase, densitatea de energie emergentă prezintă două maxime, câte unul pentru fiecare particulă”, a explicat Nikita A. Zemlevskiy, coautor al lucrării. „La energii mai mari, acest proces poate converti una dintre particulele ușoare într-o particulă grea, ceea ce generează maxime suplimentare în densitatea de energie.”
Cercetătorii au detectat aceste maxime măsurând asimetria densității de energie pe computerul cuantic IBM. Au observat că asimetria a crescut după o coliziune de înaltă energie, ceea ce indică faptul că s-a creat o particulă grea.
O scurtătură bazată pe măsurători la mijlocul circuitului
Pachetele de unde prezintă o entanglement de lungă distanță care necesita anterior multe straturi de porți cuantice pentru a fi construite. Echipa a găsit o scurtătură care folosește măsurători la mijlocul circuitului și feedforward clasic pentru a crea acest entanglement cu un număr constant de straturi de circuit.
Algoritmul nou dezvoltat poate crea eficient pachete de unde mari, care pot viza o energie de coliziune specificată cu precizie ridicată. Mai mult, ar putea reduce substanțial resursele cuantice necesare pentru simularea împrăștierii particulelor, în special în două și trei dimensiuni.
„Extragerea dovezilor pentru producția de particule dintr-o simulare rulată pe hardware cuantic zgomotos a reprezentat un progres semnificativ în simulările cuantice ale fizicii fundamentale”, a explicat Zemlevskiy. „A fost nevoie de peste 100 de qubiți pentru a inițializa pachete de unde suficient de mari care să atingă rezoluția energetică țintă.”
Fidelitatea ridicată a porților cuantice de pe computerul IBM și tehnicile de atenuare a erorilor le-au permis cercetătorilor să extragă un semnal robust din circuite cu peste 5.000 de porți de entanglement zgomotoase.
Perspective pentru simulări mai realiste
„Obiectivul final al acestei direcții de cercetare este să producem „filme” precise ale coliziunilor de înaltă energie dintre particule realiste”, a declarat Roland C. Farrell, primul autor al lucrării. „Calculând modul în care se desfășoară o coliziune, nu doar particulele care rezultă, aceste simulări ne-ar putea oferi noi modalități de a testa teoriile noastre despre fizica fundamentală.”
Până în prezent, cercetătorii au folosit abordarea lor pentru a simula coliziuni de particule într-o singură dimensiune. În studiile viitoare, intenționează să treacă la două și, în final, la trei dimensiuni, făcând totodată conținutul de particule și interacțiunile mai realiste, până când vor putea reproduce Modelul Standard al fizicii particulelor.
Atingerea acestui nivel va necesita un computer cuantic cu corecție de erori, iar cercetările viitoare se vor concentra pe reducerea costurilor de toleranță la erori în simulările complete ale coliziunilor de particule.
