Een team van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) gebruikte een kwantumcomputer om met succes een aspect van deeltjesbotsingen te simuleren dat doorgaans wordt verwaarloosd in experimenten met hoge-energiefysica. zoals die zich voordoen bij CERN's Large Hadron Collider.

Het door hen ontwikkelde kwantumalgoritme verklaart de complexiteit van partondouches, dit zijn gecompliceerde uitbarstingen van deeltjes die worden geproduceerd in de botsingen waarbij deeltjesproductie en vervalprocessen betrokken zijn.

Klassieke algoritmen die doorgaans worden gebruikt om partondouches te modelleren, zoals de populaire Markov Chain Monte Carlo-algoritmen, verschillende op kwantum gebaseerde effecten over het hoofd zien, noteren de onderzoekers in een studie die op 10 februari online in het tijdschrift is gepubliceerd Fysieke beoordelingsbrieven dat beschrijft hun kwantumalgoritme.

"We hebben in wezen aangetoond dat je een partondouche op een kwantumcomputer kunt zetten met efficiënte middelen, " zei Christian Bauer, die de leider van de Theory Group is en als hoofdonderzoeker fungeert voor quantum computing-inspanningen in de Physics Division van Berkeley Lab, "en we hebben aangetoond dat er bepaalde kwantumeffecten zijn die moeilijk te beschrijven zijn op een klassieke computer die je zou kunnen beschrijven op een kwantumcomputer." Bauer leidde de recente studie.

Hun aanpak combineert kwantum en klassieke computergebruik:het gebruikt de kwantumoplossing alleen voor het deel van de deeltjesbotsingen dat niet kan worden aangepakt met klassiek computergebruik, en gebruikt klassiek computergebruik om alle andere aspecten van de deeltjesbotsingen aan te pakken.

Onderzoekers construeerden een zogenaamd "speelgoedmodel, " een vereenvoudigde theorie die op een echte kwantumcomputer kan worden uitgevoerd en toch voldoende complexiteit bevat om te voorkomen dat deze met klassieke methoden wordt gesimuleerd.

"Wat een kwantumalgoritme doet, is alle mogelijke uitkomsten tegelijkertijd berekenen, kiest er dan een uit, " zei Bauer. "Naarmate de gegevens steeds nauwkeuriger worden, onze theoretische voorspellingen moeten steeds nauwkeuriger worden. En op een gegeven moment worden deze kwantumeffecten groot genoeg om er echt toe te doen, " en moet worden verantwoord.

Bij het construeren van hun kwantumalgoritme, onderzoekers hebben rekening gehouden met de verschillende deeltjesprocessen en uitkomsten die kunnen optreden in een partondouche, rekening houdend met de toestand van de deeltjes, geschiedenis van deeltjesemissie, of er emissies zijn opgetreden, en het aantal deeltjes geproduceerd in de douche, inclusief afzonderlijke tellingen voor bosonen en voor twee soorten fermionen.

De kwantumcomputer "berekende deze geschiedenissen tegelijkertijd, en somde alle mogelijke geschiedenissen op in elk tussenstadium, ’ merkte Bauer op.

Het onderzoeksteam gebruikte de IBM Q Johannesburg-chip, een kwantumcomputer met 20 qubits. Elke qubit, of kwantumbit, in staat is om een ​​nul weer te geven, een, en een toestand van zogenaamde superpositie waarin het tegelijkertijd zowel een nul als een één vertegenwoordigt. Deze superpositie maakt qubits uniek krachtig in vergelijking met standaard rekenbits, die een nul of een kan vertegenwoordigen.

Onderzoekers construeerden een vierstaps kwantumcomputercircuit met behulp van vijf qubits, en het algoritme vereist 48 bewerkingen. Onderzoekers merkten op dat ruis in de kwantumcomputer waarschijnlijk de oorzaak is van verschillen in resultaten met de kwantumsimulator.

Hoewel de baanbrekende inspanningen van het team om kwantumcomputing toe te passen op een vereenvoudigd deel van de deeltjesversnellergegevens veelbelovend zijn, Bauer zei dat hij niet verwacht dat kwantumcomputers de komende jaren een grote impact zullen hebben op het veld van de hoge-energiefysica, tenminste totdat de hardware verbetert.

Quantumcomputers hebben meer qubits en veel minder ruis nodig om echt door te breken, zei Bauer. "Veel hangt af van hoe snel de machines beter worden." Maar hij merkte op dat er een enorme en groeiende inspanning is om dat te laten gebeuren, en het is belangrijk om nu na te denken over deze kwantumalgoritmen om klaar te zijn voor de komende vooruitgang in hardware.

Dergelijke kwantumsprongen in technologie zijn een belangrijk aandachtspunt van een door het Energy Department ondersteund collaboratief kwantum R&D-centrum waar Berkeley Lab deel van uitmaakt, genaamd de Quantum Systems Accelerator.

Naarmate de hardware verbetert, wordt het mogelijk om rekening te houden met meer soorten bosonen en fermionen in het kwantumalgoritme, wat de nauwkeurigheid zal verbeteren.

Dergelijke algoritmen zouden uiteindelijk een brede impact moeten hebben op het gebied van hoge-energiefysica, hij zei, en zou ook kunnen worden toegepast in experimenten met zware ionen-botsers.