Max Home IndustryКоманда исследователей из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) использовала квантовый компьютер для успешного моделирования аспекта столкновения частиц, которым обычно пренебрегают в экспериментах по физике высоких энергий, например, тех, которые происходят на Большом адронном коллайдере ЦЕРН.
Разработанный ими квантовый алгоритм учитывает сложность партонных ливней, которые представляют собой сложные всплески частиц, возникающие в результате столкновений, включающих процессы образования и распада частиц.
Классические алгоритмы, обычно используемые для моделирования партонных потоков, такие как популярные алгоритмы Монте-Карло цепи Маркова, не учитывают несколько квантовых эффектов, отмечают исследователи в исследовании, опубликованном 10 февраля в журнале Physical Review Letters, в котором подробно описывается их квантовый алгоритм.
«По сути, мы показали, что квантовый компьютер можно использовать с эффективными ресурсами, — сказал Кристиан Бауэр, руководитель теоретической группы и главный исследователь квантовых вычислений в Физическом отделе лаборатории Беркли, — и мы: Мы показали, что существуют определенные квантовые эффекты, которые трудно описать на классическом компьютере, которые можно описать на квантовом компьютере ». Бауэр руководил недавним исследованием.
Их подход объединяет квантовые и классические вычисления: он использует квантовое решение только для той части столкновений частиц, которая не может быть решена с помощью классических вычислений, и использует классические вычисления для решения всех других аспектов столкновений частиц.
Исследователи построили так называемую «игрушечную модель» — упрощенную теорию, которую можно запустить на реальном квантовом компьютере, но при этом она содержит достаточно сложности, что не позволяет моделировать ее с использованием классических методов.
«Что делает квантовый алгоритм, так это вычисляет все возможные результаты одновременно, а затем выбирает один», — сказал Бауэр. «По мере того, как данные становятся все более и более точными, наши теоретические предсказания должны становиться все более и более точными. И в какой-то момент эти квантовые эффекты становятся настолько большими, что они действительно имеют значение», и их необходимо учитывать.
При построении своего квантового алгоритма исследователи учли различные процессы и исходы частиц, которые могут происходить в ливне партонов, учитывая состояние частицы, историю эмиссии частиц, происходили ли эмиссии и количество частиц, произведенных в ливне, включая отдельные подсчеты для бозонов и для двух типов фермионов.
Квантовый компьютер «вычислял эти истории одновременно и суммировал все возможные истории на каждом промежуточном этапе», — отметил Бауэр.
Исследовательская группа использовала микросхему IBM Q Johannesburg, квантовый компьютер с 20 кубитами. Каждый кубит или квантовый бит может представлять ноль, единицу и состояние так называемой суперпозиции, в которой он представляет как ноль, так и единицу одновременно. Эта суперпозиция делает кубиты уникально мощными по сравнению со стандартными вычислительными битами, которые могут представлять ноль или единицу.
Исследователи построили четырехступенчатую схему квантового компьютера с использованием пяти кубитов, а алгоритм требует 48 операций. Исследователи отметили, что причиной различий в результатах с квантовым симулятором, скорее всего, является шум в квантовом компьютере.
Хотя новаторские усилия команды по применению квантовых вычислений к упрощенной части данных коллайдера частиц являются многообещающими, Бауэр сказал, что не ожидает, что квантовые компьютеры окажут большое влияние на область физики высоких энергий в течение нескольких лет — по крайней мере, до тех пор, пока железо улучшается.
По словам Бауэра, квантовым компьютерам потребуется больше кубитов и гораздо меньше шума, чтобы совершить настоящий прорыв. «Многое зависит от того, насколько быстро станки станут лучше». Но он отметил, что для этого прилагаются огромные и растущие усилия, и важно начать думать об этих квантовых алгоритмах прямо сейчас, чтобы быть готовым к грядущим достижениям в области аппаратного обеспечения.
Такие квантовые скачки в технологиях являются главной задачей поддерживаемого Министерством энергетики совместного центра квантовых исследований и разработок, частью которого является лаборатория Беркли, который называется Quantum Systems Accelerator.
По мере совершенствования оборудования появится возможность учитывать больше типов бозонов и фермионов в квантовом алгоритме, что повысит его точность.
По его словам, такие алгоритмы в конечном итоге должны иметь широкое влияние в области физики высоких энергий, а также могут найти применение в экспериментах с коллайдерами с тяжелыми ионами.
В исследовании также приняли участие Бенджамин Нахман и Давид Провасоли из отдела физики лаборатории Беркли и Вибе де Йонг из отдела вычислительных исследований лаборатории Беркли.
Работа была поддержана Научным отделом Министерства энергетики США. Он использовал ресурсы в Oak Ridge Leadership Computing Facility, который является пользовательским центром Министерства энергетики США.