In de kernfysica, zoals veel van de wetenschap, gedetailleerde theorieën alleen zijn niet altijd voldoende om solide voorspellingen te ontgrendelen. Er zijn vaak te veel stukken, op complexe manieren met elkaar omgaan, voor onderzoekers om de logica van een theorie tot het einde te volgen. Het is een van de redenen waarom er nog zoveel mysteries in de natuur zijn, inclusief hoe de basisbouwstenen van het universum samensmelten en sterren en sterrenstelsels vormen. Hetzelfde geldt voor experimenten met hoge energie, waarin deeltjes zoals protonen met ongelooflijke snelheden samensmelten om extreme omstandigheden te creëren die vergelijkbaar zijn met die net na de oerknal.

Gelukkig, wetenschappers kunnen vaak simulaties gebruiken om de fijne kneepjes te doorbreken. Een simulatie vertegenwoordigt de belangrijke aspecten van één systeem, zoals een vliegtuig, de verkeersstroom van een stad of een atoom - als onderdeel van een andere, toegankelijker systeem (zoals een computerprogramma of een maquette). Onderzoekers hebben hun creativiteit gebruikt om simulaties goedkoper te maken, sneller of gemakkelijker om mee te werken dan de formidabele onderwerpen die ze onderzoeken, zoals protonbotsingen of zwarte gaten.

Simulaties gaan verder dan een kwestie van gemak; ze zijn essentieel voor het aanpakken van gevallen die zowel te moeilijk zijn om direct in experimenten waar te nemen als te complex voor wetenschappers om elke logische conclusie uit basisprincipes te halen. Diverse onderzoeksdoorbraken - van het modelleren van de complexe interacties van de moleculen achter het leven tot het voorspellen van de experimentele handtekeningen die uiteindelijk de identificatie van het Higgs-deeltje mogelijk maakten - zijn het resultaat van het ingenieuze gebruik van simulaties.

Maar met conventionele simulaties kom je maar zo ver. Vaak, een simulatie vereist zoveel berekeningen dat de beste computers die ooit zijn gebouwd geen zinvolle vooruitgang kunnen boeken - zelfs niet als je bereid bent je hele leven te wachten.

Nutsvoorzieningen, kwantumsimulators (die gebruikmaken van kwantumeffecten zoals superpositie en verstrengeling) beloven hun kracht te gebruiken voor veel problemen die hebben geweigerd te zwichten voor simulaties die bovenop klassieke computers zijn gebouwd - inclusief problemen in de kernfysica. Maar om een ​​simulatie uit te voeren, kwantum of anderszins, wetenschappers moeten eerst bepalen hoe ze hun interessesysteem getrouw kunnen weergeven in hun simulator. Ze moeten een kaart tussen de twee maken.

Computationele kernfysicus Zohreh Davoudi, een assistent-professor natuurkunde aan de Universiteit van Maryland (UMD), werkt samen met onderzoekers van JQI om te onderzoeken hoe kwantumsimulaties kernfysici kunnen helpen. Ze werken aan het maken van enkele van de eerste kaarten tussen de theorieën die de basis van de kernfysica beschrijven en de vroege kwantumsimulators en kwantumcomputers die in laboratoria worden samengesteld.

"Het lijkt erop dat we op het punt staan ​​om de volgende fase van computergebruik in te gaan die gebruik maakt van de kwantummechanica, ", zegt Davoudi. "En als nucleaire wetenschappers nu niet in dit veld komen - als we onze problemen niet naar zulke kwantumhardware gaan verplaatsen, we kunnen het later misschien niet meer inhalen omdat kwantumcomputing erg snel evolueert."

Davoudi en enkele collega's, waaronder JQI Fellows Chris Monroe en Mohammad Hafezi, ontwierpen hun benadering voor het maken van kaarten met het oog op compatibiliteit met de kwantumtechnologieën aan de horizon. In een nieuw artikel gepubliceerd op 8 april, 2020 in het tijdschrift Physical Review Research, ze beschrijven hun nieuwe methode en hoe deze nieuwe simulatiemogelijkheden creëert voor onderzoekers om te verkennen.

"Het is nog niet duidelijk waar kwantumcomputers precies nuttig zullen worden toegepast, " zegt Monroe, die ook hoogleraar natuurkunde is aan de UMD en mede-oprichter van de quantum computing-startup IonQ. "Een strategie is om ze in te zetten op problemen die gebaseerd zijn op de kwantumfysica. Er zijn veel benaderingen in elektronische structuur en kernfysica die zo belastend zijn voor normale computers dat kwantumcomputers een weg vooruit kunnen zijn."

Patronen en controle

Als eerste doelwit het team zette hun zinnen op roostermaattheorieën. Metertheorieën beschrijven een grote verscheidenheid aan natuurkunde, inclusief de ingewikkelde dans van quarks en gluonen - de fundamentele deeltjes in de kernfysica. Roosterversies van ijktheorieën vereenvoudigen berekeningen door alle deeltjes en hun interacties te beperken tot een geordend raster, als stukken op een schaakbord.

Zelfs met deze vereenvoudiging moderne computers kunnen nog steeds stikken bij het simuleren van dichte klonten materie of bij het volgen hoe materie in de loop van de tijd verandert. Het team is van mening dat kwantumcomputers deze beperkingen kunnen overwinnen en uiteindelijk meer uitdagende soorten ijktheorieën kunnen simuleren, zoals kwantumchromodynamica, die de sterke interacties beschrijft die quarks en gluonen binden tot protonen en neutronen en ze bij elkaar houden als atoomkernen.

Davoudi en haar collega's kozen ingesloten atoomionen - de specialiteit van Monroe - als het fysieke systeem voor het uitvoeren van hun simulatie. Bij deze systemen ionen, die elektrisch geladen atomen zijn, zweven, elk gevangen door een omringend elektrisch of magnetisch veld. Wetenschappers kunnen deze velden ontwerpen om de ionen in verschillende patronen te rangschikken die kunnen worden gebruikt om informatie op te slaan en over te dragen. Voor dit voorstel is het team concentreerde zich op ionen die in een rechte lijn waren georganiseerd.

Onderzoekers gebruiken lasers om elk ion en zijn interacties met buren te regelen - een essentiële vaardigheid bij het maken van een bruikbare simulatie. De ionen zijn veel toegankelijker dan de kleinere deeltjes die Davoudi intrigeren. Kernfysici kunnen alleen maar dromen van het bereiken van hetzelfde niveau van controle over de interacties in de harten van atomen.

"Neem een ​​probleem op de femtometerschaal en breid het uit tot micronschaal - dat verhoogt ons niveau van controle dramatisch, " zegt Hafezi, die ook een universitair hoofddocent is bij de afdeling Electrical and Computer Engineering en de afdeling Natuurkunde aan de UMD. 'Stel je voor dat je een mier zou ontleden. Nu is de mier uitgerekt tot de afstand tussen Boston en Los Angeles.'

Bij het ontwerpen van hun methode voor het maken van kaarten, het team heeft gekeken wat er kan worden gedaan met kant-en-klare lasers. Ze realiseerden zich dat de huidige technologie ionenvangers in staat stelt lasers op te zetten in een nieuwe, efficiënte manier die gelijktijdige controle van drie verschillende spin-interacties voor elk ion mogelijk maakt.

"Trapped-ion-systemen worden geleverd met een toolbox om deze problemen te simuleren, ", zegt Hafezi. "Hun verbazingwekkende eigenschap is dat je soms terug kunt gaan en meer tools kunt ontwerpen en toevoegen aan de doos."

Met deze mogelijkheid in het achterhoofd, de onderzoekers ontwikkelden een procedure voor het maken van kaarten met twee wenselijke kenmerken. Eerst, de kaarten maximaliseren hoe getrouw de ionenvalsimulatie overeenkomt met een gewenste roostermetertheorie. Tweede, ze minimaliseren de fouten die optreden tijdens de simulatie.

In de krant, de onderzoekers beschrijven hoe deze benadering een eendimensionale reeks ionen in staat zou kunnen stellen een paar eenvoudige roostermaattheorieën te simuleren, niet alleen in één dimensie, maar ook in hogere dimensies. Met deze aanpak, het gedrag van ionenspins kan worden aangepast en in kaart worden gebracht voor een verscheidenheid aan verschijnselen die kunnen worden beschreven door roostermaattheorieën, zoals het genereren van materie en antimaterie uit een vacuüm.

"Als kerntheoreticus, Ik ben verheugd om verder te werken met theoretici en experimentatoren met expertise in atomaire, moleculair, en optische fysica en in ion-trap-technologie om complexere problemen op te lossen, " zegt Davoudi. "Ik heb het unieke van mijn probleem en mijn systeem uitgelegd, en ze legden de kenmerken en mogelijkheden van hun systeem uit, toen hebben we gebrainstormd over hoe we deze mapping kunnen doen."

Monroe wijst erop dat "dit precies is wat nodig is voor de toekomst van kwantumcomputing. Dit 'co-design' van apparaten die zijn toegesneden op specifieke toepassingen, maakt het vakgebied fris en opwindend."

Analoog versus digitaal

De simulaties voorgesteld door Davoudi en haar collega's zijn voorbeelden van analoge simulaties, omdat ze rechtstreeks elementen en interacties in het ene systeem met die van een ander systeem vertegenwoordigen. Over het algemeen, analoge simulatoren moeten worden ontworpen voor een bepaald probleem of een reeks problemen. Dit maakt ze minder veelzijdig dan digitale simulatoren, die een gevestigde reeks discrete bouwstenen hebben die kunnen worden samengesteld om bijna alles te simuleren met voldoende tijd en middelen.

De veelzijdigheid van digitale simulaties is wereldveranderend geweest, maar een goed ontworpen analoog systeem is vaak minder complex dan zijn digitale tegenhanger. Zorgvuldig ontworpen kwantumanaloge simulaties kunnen resultaten opleveren voor bepaalde problemen voordat kwantumcomputers op betrouwbare wijze digitale simulaties kunnen uitvoeren. Dit is vergelijkbaar met het gebruik van een windtunnel in plaats van een computer te programmeren om de manier te modelleren waarop de wind alles van een gans tot een experimenteel gevechtsvliegtuig te lijf gaat.

Het Monroe-team, in samenwerking met coauteur Guido Pagano, een voormalig JQI-postdoctoraal onderzoeker die nu een assistent-professor is aan de Rice University, werkt aan de implementatie van de nieuwe analoge aanpak in de komende jaren. Het voltooide systeem zou in staat moeten zijn om een ​​verscheidenheid aan roostermaattheorieën te simuleren.

De auteurs zeggen dat dit onderzoek slechts het begin is van een langere weg. Omdat roostermaattheorieën op wiskundig vergelijkbare manieren worden beschreven als andere kwantumsystemen, de onderzoekers zijn optimistisch dat hun voorstel toepassingen zal vinden die verder gaan dan de kernfysica, zoals in de fysica van de gecondenseerde materie en de materiaalkunde. Davoudi werkt ook aan de ontwikkeling van voorstellen voor digitale kwantumsimulaties met Monroe en Norbert Linke, nog een JQI-fellow. Ze hoopt dat de twee projecten de voor- en nadelen van elke benadering blootleggen en inzicht geven in hoe onderzoekers kernfysische problemen kunnen aanpakken met de volledige kracht van quantum computing.

"We willen uiteindelijk theorieën van een meer complexe aard simuleren en in het bijzonder de kwantumchromodynamica die verantwoordelijk is voor de sterke kracht in de natuur, ", zegt Davoudi. "Maar daarvoor moet misschien nog meer buiten de gebaande paden worden gedacht."