Een groep wetenschappers van het Fermilab van het Department of Energy heeft ontdekt hoe kwantumcomputing kan worden gebruikt om de fundamentele interacties te simuleren die ons universum bij elkaar houden.

In een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , Fermilab-onderzoekers vullen een opvallende leemte in het modelleren van de subatomaire wereld met behulp van kwantumcomputers, het aanpakken van een familie van deeltjes die, tot voor kort, is relatief verwaarloosd in kwantumsimulaties.

De fundamentele deeltjes waaruit ons universum bestaat, kunnen in twee groepen worden verdeeld:deeltjes die fermionen worden genoemd, wat zijn de bouwstenen van materie, en deeltjes genaamd bosonen, die velddeeltjes zijn en aan de materiedeeltjes trekken.

In recente jaren, wetenschappers hebben met succes kwantumalgoritmen ontwikkeld om systemen van fermionen te berekenen. Maar ze hebben het veel moeilijker gehad om hetzelfde te doen voor bosonsystemen.

Voor de eerste keer, Fermilab-wetenschapper Alexandru Macridin heeft een manier gevonden om systemen te modelleren die zowel fermionen als bosonen bevatten op kwantumcomputers voor algemene doeleinden. een deur openen naar realistische simulaties van het subatomaire rijk. Zijn werk maakt deel uit van het Fermilab-kwantumwetenschapsprogramma.

"De representatie van bosonen in kwantumcomputers is nog nooit zo goed behandeld in de literatuur, "Zei Macridin. "Onze methode werkte, en beter dan we hadden verwacht."

De relatieve onbekendheid van bosonen in de literatuur over kwantumcomputers heeft deels te maken met bosonen zelf en deels met de manier waarop het onderzoek naar kwantumcomputers is geëvolueerd.

Over de afgelopen tien jaar, de ontwikkeling van kwantumalgoritmen sterk gericht op het simuleren van puur fermionische systemen, zoals moleculen in de kwantumchemie.

"Maar in de hoge-energiefysica, we hebben ook bosonen, en hoge-energiefysici zijn vooral geïnteresseerd in de interacties tussen bosonen en fermionen, " zei Fermilab-wetenschapper Jim Amundson, een co-auteur van de Physical Review Letters paper. "Dus we namen bestaande fermionmodellen en breidden ze uit met bosonen, en dat hebben we op een nieuwe manier gedaan."

De grootste belemmering voor het modelleren van bosonen had te maken met de eigenschappen van een qubit:een kwantumbit.

De staten in kaart brengen

Een qubit heeft twee toestanden:één en nul.

evenzo, een fermiontoestand heeft twee verschillende modi:bezet en onbezet.

De eigenschap met twee toestanden van de qubit betekent dat het vrij eenvoudig een fermion-toestand kan vertegenwoordigen:één qubit-toestand wordt toegewezen aan "bezet, " en de andere, "onbezet."

(Je herinnert je misschien iets over de bezetting van toestanden uit de scheikunde van de middelbare school:de elektronenorbitalen van een atoom kunnen elk worden bezet door maximaal één elektron. Dus ze zijn bezet of niet. Die orbitalen, beurtelings, combineren om de elektronenschillen te vormen die de kern omringen.)

De één-op-één-toewijzing tussen de qubit-status en de fermion-status maakt het gemakkelijk om het aantal qubits te bepalen dat u nodig hebt om een ​​fermionische proces te simuleren. Als je te maken hebt met een systeem van 40 fermiontoestanden, als een molecuul met 40 orbitalen, je hebt 40 qubits nodig om het weer te geven.

In een kwantumsimulatie een onderzoeker stelt qubits in om de begintoestand weer te geven van, zeggen, een moleculair proces. Vervolgens worden de qubits gemanipuleerd volgens een algoritme dat weerspiegelt hoe dat proces evolueert.

Complexere processen hebben een groter aantal qubits nodig. Naarmate het aantal groeit, net als de rekenkracht die nodig is om het uit te voeren. Maar zelfs met slechts een handvol qubits tot zijn beschikking, onderzoekers zijn in staat om enkele interessante problemen met betrekking tot fermionprocessen aan te pakken.

"Er is een goed ontwikkelde theorie voor het in kaart brengen van fermionen op qubits, " zei Fermilab-theoreticus Roni Harnik, een co-auteur van het artikel.

bosonen, de krachtdeeltjes van de natuur, zijn een ander verhaal. Het in kaart brengen ervan wordt al snel ingewikkeld. Dat komt deels omdat, in tegenstelling tot de beperkte, twee-keuze fermion staat, bosonstaten zijn zeer meegaand.

Bosonen opvangen

Aangezien slechts één fermion een bepaalde kwantumtoestand van het fermion kan bezetten, die toestand is bezet of niet - één of nul.

In tegenstelling tot, een bosontoestand kan variabel bezet zijn, het opvangen van één boson, een ontelbare bosonen, of iets daar tussenin. Dat maakt het moeilijk om bosonen toe te wijzen aan qubits. Met slechts twee mogelijke toestanden, een enkele qubit kan niet, op zichzelf, een bosonstaat vertegenwoordigen.

Met bosonen, de vraag is niet of de qubit een bezette of onbezette toestand vertegenwoordigt, maar liever, hoeveel qubits zijn er nodig om de toestand van het boson weer te geven.

"Wetenschappers hebben manieren bedacht om bosonen te coderen in qubits waarvoor een groot aantal qubits nodig is om nauwkeurige resultaten te krijgen. ' zei Amundson.

Een onbetaalbaar groot aantal, vaak. Door sommige methoden, een bruikbare simulatie zou miljoenen qubits nodig hebben om een ​​bosonproces getrouw te modelleren, zoals de transformatie van een deeltje dat uiteindelijk een deeltje licht produceert, wat een type boson is.

En dat is slechts in het weergeven van de initiële opzet van het proces, laat staan ​​het laten evolueren.

De oplossing van Macridin was om het bosonsysteem te herschikken als iets anders, iets heel bekend bij natuurkundigen:een harmonische oscillator.

Harmonische oscillatoren zijn overal in de natuur, van de subatomaire tot de astronomische schaal. De vibratie van moleculen, de stroompuls door een circuit, de op en neer gaande bob van een geladen veer, de beweging van een planeet rond een ster - het zijn allemaal harmonische oscillatoren. Zelfs bosonische deeltjes, zoals die Macridin leek te simuleren, kunnen worden behandeld als kleine harmonische oscillatoren. Dankzij hun alomtegenwoordigheid, harmonische oscillatoren zijn goed begrepen en kunnen nauwkeurig worden gemodelleerd.

Met een achtergrond in de fysica van de gecondenseerde materie - de studie van de natuur een paar stappen hoger dan de basis van de deeltjes - was Macridin bekend met het modelleren van harmonische oscillatoren in kristallen. Hij vond een manier om een ​​harmonische oscillator op een kwantumcomputer weer te geven, dergelijke systemen met uitzonderlijke precisie in qubits in kaart te brengen en de precieze simulatie van bosonen op kwantumcomputers mogelijk te maken.

En tegen lage qubitkosten:voor het weergeven van een discrete harmonische oscillator op een kwantumcomputer zijn slechts een paar qubits nodig, zelfs als de oscillator een groot aantal bosonen vertegenwoordigt.

"Onze methode vereist een relatief klein aantal qubits voor bosontoestanden - exponentieel kleiner dan wat eerder door andere groepen werd voorgesteld, "Zei Macridin. "Voor andere methoden om hetzelfde te doen, ze zouden waarschijnlijk een groter aantal qubits nodig hebben."

Macridin schat dat zes qubits per bosontoestand voldoende is om interessante natuurkundige problemen te onderzoeken.

Simulatie succes

Als een proef van de kaartmethode van Macridin, de Fermilab-groep maakte voor het eerst gebruik van de kwantumveldentheorie, een tak van de natuurkunde die zich richt op het modelleren van subatomaire structuren. Ze hebben met succes de interactie van elektronen in een kristal gemodelleerd met de trillingen van de atomen die het kristal vormen. De 'eenheid' van die trilling is een boson dat een fonon wordt genoemd.

Met behulp van een kwantumsimulator in het nabijgelegen Argonne National Laboratory, ze modelleerden het elektron-fononsysteem en - voila! - ze lieten zien dat ze konden rekenen, met hoge nauwkeurigheid, de eigenschappen van het systeem met slechts ongeveer 20 qubits. De simulator is een klassieke computer die simuleert hoe een kwantumcomputer, tot 35 qubits, werken. Onderzoekers van Argonne maken gebruik van de simulator en hun expertise in schaalbare algoritmen om de potentiële impact van kwantumcomputing op belangrijke gebieden zoals kwantumchemie en kwantummaterialen te onderzoeken.

"We hebben laten zien dat de techniek werkte, ' zei Harnik.

Ze toonden verder aan dat, door bosonen voor te stellen als harmonische oscillatoren, men zou systemen met fermion-boson-interacties efficiënt en nauwkeurig kunnen beschrijven.

"Het bleek een goede match, ' zei Amundson.

"Ik was begonnen met één idee, en het werkte niet, dus toen veranderde ik de weergave van de bosonen, "Zei Macridin. "En het werkte goed. Het maakt de simulatie van fermion-bosonsystemen haalbaar voor kwantumcomputers op korte termijn."

Universele toepassing

De simulatie van de Fermilab-groep is niet de eerste keer dat wetenschappers bosonen in kwantumcomputers hebben gemodelleerd. Maar in de andere gevallen wetenschappers gebruikten hardware die speciaal is ontworpen om bosonen te simuleren, dus de gesimuleerde evolutie van een bosonsysteem zou natuurlijk gebeuren, bij wijze van spreken, op die speciale computers.

De aanpak van de Fermilab-groep is de eerste die efficiënt kan worden toegepast in een algemene, digitale kwantumcomputer, ook wel een universele kwantumcomputer genoemd.

De volgende stap voor Macridin, Amundson en andere deeltjesfysici bij Fermilab gaan hun methode gebruiken voor problemen in de hoge-energiefysica.

"In de natuur, fermion-boson interacties zijn fundamenteel. Ze verschijnen overal, "Zei Macridin. "Nu kunnen we ons algoritme uitbreiden naar verschillende theorieën in ons vakgebied."

Hun prestatie reikt verder dan de deeltjesfysica. Amundson zegt dat hun groep heeft gehoord van materiaalwetenschappers die denken dat het werk in de nabije toekomst nuttig kan zijn bij het oplossen van problemen in de echte wereld.

"We hebben bosonen op een nieuwe manier geïntroduceerd die minder middelen vereist, "Zei Amundson. "Het opent echt een hele nieuwe klasse van kwantumsimulaties."