Max Home IndustryГруппа исследователей из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) использовала квантовый компьютер для успешного моделирования аспекта столкновения частиц, которым обычно пренебрегают в экспериментах по физике высоких энергий, например, 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 с цепью Маркова, не учитывают несколько квантовых эффектов, отмечают исследователи в исследовании, опубликованном 10 февраля в журнале Physical Review Letters < / em>, в котором подробно описан их квантовый алгоритм.
«По сути, мы показали, что вы можете создать партонный душ на квантовом компьютере с эффективными ресурсами, — сказал Кристиан Бауэр, руководитель группы Theory Group и главный исследователь в области квантовых вычислений в Физическом отделе лаборатории Беркли». и 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 сохраняя при этом достаточно сложность, не позволяющую 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 прогнозы 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 результаты частиц, которые могут происходить в партонном ливне, учитывая их состояние, историю испускания частиц, происходили ли выбросы и количество частиц, образовавшихся в ливне, в том числе раздельный счет для бозонов и 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 способен 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, пока оборудование не улучшится.
Для настоящего прорыва квантовым компьютерам потребуется больше кубитов и гораздо меньше шума, сказал Бауэр. «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 грядущему прогрессу в области аппаратного обеспечения.
Такие качественные скачки в технологиях — основная цель поддерживаемого Министерством энергетики центра совместных квантовых исследований и разработок, частью которого является лаборатория Беркли, под названием Quantum Systems Accelerator.
По мере совершенствования оборудования появится возможность учитывать больше типов бозонов и фермионов в квантовом алгоритме, что повысит его точность.
Такие алгоритмы в конечном итоге должны иметь широкое влияние в области физики высоких энергий, сказал он, а также могут найти применение в экспериментах с коллайдерами тяжелых ионов.
В исследовании также приняли участие Бенджамин Нахман и Давид Провасоли из отделения физики лаборатории Беркли и Вибе де Йонг из отдела вычислительных исследований лаборатории Беркли.
Работа была поддержана Научным управлением Министерства энергетики США. При этом использовались ресурсы центра Oak Ridge Leadership Computing Facility, который является пользовательским центром Министерства энергетики США.