Natuurkundigen van het Lawrence Berkeley National Laboratory, Christian Bauer, Marat Freytsis en Benjamin Nachman, hebben een IBM Q-kwantumcomputer gebruikt via het Quantum Computing User Program van Oak Ridge Leadership Computing Facility om een ​​deel van een berekening van twee protonen die botsen vast te leggen. De berekening kan de kans tonen dat een uitgaand deeltje extra deeltjes zal uitstoten.

In de recente paper van het team, gepubliceerd in Physical Review Letters , beschrijven de onderzoekers hoe ze een methode genaamd effectieve veldtheorie gebruikten om hun volledige theorie in componenten op te splitsen. Uiteindelijk ontwikkelden ze een kwantumalgoritme om de berekening van sommige van deze componenten op een kwantumcomputer mogelijk te maken, terwijl andere berekeningen overgelaten werden aan klassieke computers.

"Voor een theorie die dicht bij de natuur staat, hebben we laten zien hoe dit in principe zou werken. Daarna namen we een zeer vereenvoudigde versie van die theorie en deden een expliciete berekening op een kwantumcomputer", zei Nachman.

Het Berkeley Lab-team wil inzichten ontdekken over de kleinste bouwstenen van de natuur door het observeren van hoogenergetische deeltjesbotsingen in laboratoriumomgevingen, zoals de Large Hadron Collider in Genève, Zwitserland. Het team onderzoekt wat er bij deze botsingen gebeurt door berekeningen te gebruiken om voorspellingen te vergelijken met het werkelijke puin van de botsing.

"Een van de moeilijkheden van dit soort berekeningen is dat we een groot aantal energieën willen beschrijven," zei Nachman. "We willen de processen met de hoogste energie beschrijven tot aan de processen met de laagste energie door de bijbehorende deeltjes te analyseren die in onze detector vliegen."

Alleen al het gebruik van een kwantumcomputer om dit soort berekeningen op te lossen, vereist een aantal qubits dat veel verder gaat dan de tegenwoordig beschikbare kwantumcomputerbronnen. Het team kan deze problemen op klassieke systemen berekenen met behulp van benaderingen, maar deze negeren belangrijke kwantumeffecten. Daarom wilde het team de berekening opsplitsen in verschillende brokken die ofwel goed geschikt waren voor klassieke systemen of kwantumcomputers.

Het team voerde experimenten uit op de IBM Q via het QCUP-programma van de OLCF in het Oak Ridge National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie om te verifiëren dat de door hen ontwikkelde kwantumalgoritmen de verwachte resultaten reproduceerden op een kleine schaal die nog steeds kan worden berekend en bevestigd met klassieke computers.

"Dit is een absoluut kritiek demonstratieprobleem", zei Nachman. "Voor ons is het belangrijk dat we de eigenschappen van deze deeltjes theoretisch beschrijven en vervolgens een versie ervan implementeren op een kwantumcomputer. Veel uitdagingen die zich voordoen als je op een kwantumcomputer draait, gebeuren niet theoretisch. Ons algoritme schaalt, dus als we meer kwantumbronnen krijgen, kunnen we berekeningen maken die we klassiek niet zouden kunnen maken."

Het team wil ook kwantumcomputers bruikbaar maken, zodat ze de soorten wetenschap kunnen uitvoeren die ze hopen te doen. Kwantumcomputers zijn luidruchtig en deze ruis introduceert fouten in de berekeningen. Daarom heeft het team ook foutbeperkende technieken ingezet die ze in eerder werk hadden ontwikkeld.

Vervolgens hoopt het team meer dimensies aan hun probleem toe te voegen, hun ruimte op te splitsen in een kleiner aantal punten en de omvang van hun probleem op te schalen. Uiteindelijk hopen ze op een kwantumcomputer berekeningen te kunnen maken die met klassieke computers niet mogelijk zijn.

"De kwantumcomputers die beschikbaar zijn via ORNL's IBM Q-overeenkomst hebben ongeveer 100 qubits, dus we zouden in staat moeten zijn om op te schalen naar grotere systeemgroottes", zei Nachman.

De onderzoekers hopen ook hun benaderingen te versoepelen en naar natuurkundige problemen te gaan die dichter bij de natuur staan, zodat ze berekeningen kunnen uitvoeren die meer zijn dan een proof of concept. + Verder verkennen

Naar een kwantumcomputer die moleculaire energie berekent