Wetenschap
De kwantumcode kraken:simulaties volgen verstrengelde quarks
Tegenwoordig komt het woord 'kwantum' overal voor:in bedrijfsnamen, filmtitels en zelfs theaters. Maar in de kern werd het concept van een kwantum – de kleinste, discrete hoeveelheid van iets – eerst ontwikkeld om het gedrag van de kleinste stukjes materie en energie te verklaren.
De afgelopen eeuw hebben wetenschappers wiskundige beschrijvingen ontwikkeld van hoe deze deeltjes en energiepakketjes met elkaar omgaan en hebben ze hun kennis van de 'kwantummechanica' gebruikt om een reeks verbazingwekkende technologieën te ontwerpen, van computers en mobiele telefoons tot telescopen en ruimtevaartuigen.
Nieuwe toepassingen, zoals krachtige kwantumcomputers en kwantumcommunicatienetwerken, staan nog maar net in het verschiet. Maar zelfs voordat deze toepassingen de mainstream bereiken, ontwikkelen wetenschappers kwantumcode om kwantumberekeningen uit te voeren, en gebruiken ze deze om complexe kwantumsystemen te volgen.
In een recent voorbeeld voerden theoretici en computationele wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en de Stony Brook University (SBU) een reeks kwantumsimulaties uit om een van de meest eigenzinnige kenmerken van het kwantumrijk te onderzoeken:verstrengeling. De studie brengt kwantum terug naar zijn oorsprong in het proberen het gedrag van subatomaire deeltjes te verklaren.
“Het essentiële idee achter verstrengeling is dat twee kwantumobjecten – bijvoorbeeld twee deeltjes – gecorreleerd kunnen zijn, of zich van elkaar bewust kunnen zijn, zelfs als ze over zeer grote afstanden van elkaar gescheiden zijn”, legt Brookhaven Lab/SBU-theoreticus Dmitri Kharzeev uit, die leiding gaf aan het onderzoek. onderzoek. Einstein noemde het 'spookachtige actie op afstand'. Maar talloze experimenten hebben aangetoond dat het spookachtige effect reëel is.
Om nog een stap verder te gaan, wilden Kharzeev en zijn collega's zien of de verstrengeling aanhoudt in stralen van secundaire deeltjes - cascades van deeltjes die worden geproduceerd door de fragmentatie van zogenaamd verstrengelde deeltjes die worden uitgestoten door botsingen van deeltjes met hoge energie. Ze ontwikkelden simulaties om te zoeken naar correlaties tussen deeltjes in één straalvliegtuig en die in een straalvliegtuig dat back-to-back werd geproduceerd door dezelfde initiële gebeurtenis.
Hun simulaties, beschreven in een publicatie in Physical Review Letters , onthulde een aanhoudend sterke verstrengeling, althans voor korte afstanden.
De resultaten vormen een basis voor het testen van deze voorspellingen in kernfysica-experimenten bij de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in het Brookhaven Lab, de Large Hadron Collider (LHC) in het Europese CERN-laboratorium en de toekomstige Electron-Ion Collider (EIC). in de ontwerpfase van Brookhaven. Bovendien biedt de methode, waarbij gebruik wordt gemaakt van kwantumcode die op een klassieke supercomputer wordt uitgevoerd, inzicht in manieren om bestaande computerapparatuur aan te passen en te benutten voor het uitvoeren van kwantumberekeningen totdat er meer praktische kwantumcomputers op de markt komen.
Secundaire verstrengeling detecteren
"Als je bij een botsing met hoge energie een quark en een antiquark achter elkaar produceert, verwacht je dat deze twee deeltjes met elkaar verstrengeld raken omdat ze in dezelfde interactie zijn geproduceerd", zegt co-auteur Adrien Florio, een Goldhaber Fellow die samenwerkt met Kharzeev. op de afdeling Natuurkunde van Brookhaven Lab. "Maar het detecteren van deze verstrengeling is niet eenvoudig omdat we quarks niet rechtstreeks kunnen waarnemen. Quarks en antiquarks moeten altijd 'opgesloten' zijn:gepaard of verdrievoudigd om samengestelde deeltjes te vormen die hadronen worden genoemd."
Het opsluitingsraadsel betekent dat zodra de quark en antiquark uit de botsing tevoorschijn komen, ze onmiddellijk hun energie beginnen af te staan aan het omringende vacuüm. Die energie genereert nieuwe quark-antiquark-paren:een cascade of straal van gebonden hadronen voor elk aanvankelijk deeltje.
Traditionele modellen voor de productie van straalvliegtuigen geven probabilistische beschrijvingen van de deeltjes waaruit de straalvliegtuigen in drie dimensies bestaan. Zoeken naar één-op-één correlaties van een bepaald deeltje in de ene jet met een deeltje in de andere zou een enorme uitdaging zijn.
"Vóór quantum computing wisten we niet eens hoe we dit moesten aanpakken", zegt Florio.
Maar door de deeltjes te simuleren met behulp van qubits, de fundamentele eenheden van quantum computing, konden de wetenschappers testen of de qubits die individuele punten in ruimte en tijd vertegenwoordigen, met elkaar verstrengeld waren. Bovendien gebruikten ze een eenvoudiger theoretisch raamwerk dat de complexiteit van de jets terugbracht tot slechts twee dimensies:één ruimtelijke dimensie plus tijd.
"Aangezien de quark en antiquark met zeer hoge energieën worden geproduceerd, bewegen ze zich als kogels in het kwantumvacuüm langs een rechte lijn", zei Florio. "We zoeken alleen maar naar correlaties tussen qubits die deeltjes vertegenwoordigen langs dat rechte traject in de tijd."
Verstrengelingsentropie
De berekeningen zijn ontworpen in samenwerking met Kwang Min Yu van het Computational Science Initiative (CSI) van Brookhaven Lab om aan te tonen of de "verstrengelingsentropie" van een hadron op een bepaald punt in het traject van een straalvliegtuig gecorreleerd was met de verstrengelingsentropie van een hadron op de overeenkomstige plaats. punt in de tegenovergestelde straal.
"Entropie is een maatstaf voor onzekerheid", legde Kharzeev uit. "Als je veel chaos en onzekerheid in je leven hebt, heeft je leven een hoge hoeveelheid entropie." Zuivere kwantumtoestanden hebben daarentegen een entropie van nul. "In zulke staten is alles onder controle. Je weet precies in welke staat je verkeert, dus er is geen onzekerheid", zei hij.
Maar als twee pure kwantumtoestanden – deeltjes of qubits – met elkaar verstrengeld zijn, ‘als je iets in de ene doet, dan zal er ook iets in de andere gebeuren’, legde hij uit. "Dit betekent dat als ik er maar één meet, ik er geen volledige informatie over heb, omdat een deel van zijn toestand wordt gecontroleerd door een andere kwantumstaat waartoe ik geen toegang heb. Er zal enige onzekerheid bestaan over de eigenschappen en het gedrag ervan." De entropiewaarde zal niet nul zijn.
"Het is alsof je een hechte relatie met iemand hebt, en wat deze persoon ook doet, heeft invloed op jou en omgekeerd. Dit betekent dus dat je niet de volledige controle hebt over wat er aan de hand is. Dit is hetzelfde op kwantumniveau." zei Charzeev.
Om deze verstrengelingen te detecteren, zochten de wetenschappers naar correlaties tussen qubits die deeltjes vertegenwoordigen op verschillende afstanden van het botsingspunt. Kharzeev vergeleek de berekeningen met het gooien van dobbelstenen en het meten van de waarschijnlijkheid dat het gooien van een bepaald getal op de ene hetzelfde getal op de andere zou opleveren.
“Met de deeltjes bepaal je of een deeltje dat op een bepaald punt in de ruimte wordt geproduceerd, overeenkomt met een deeltje op hetzelfde punt in de ruimte aan de andere kant van de botsing. Als ze één keer overeenkomen, kan het toeval zijn. Maar als je de deeltjes gooit 'dobbelen' een miljoen keer door miljoenen gebeurtenissen te bestuderen, en ze laten altijd identieke resultaten zien, dan weet je dat deze deeltjes gecorreleerd of verstrengeld zijn,' zei hij.
De wetenschappers ontdekten dat de kwantumcorrelaties tussen gesimuleerde hadronen bestaan en behoorlijk sterk zijn. "Maar in onze simulaties zien we dat de correlaties verdwijnen als de scheiding tussen secundaire deeltjes groot is", zei hij.
De bevindingen vormen een basis voor het testen of verstrengeling aanhoudt en afsterft naarmate de afstand groter wordt, in experimenten bij RHIC, de LHC en toekomstige EIC.
Gebruik van computermiddelen
Hoewel de wetenschappers hun simulaties schreven met kwantumcode, voerden ze de berekeningen uit op een klassieke supercomputer van het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) van het Lawrence Berkeley National Laboratory van DOE.
"Voorlopig kun je zeer betekenisvolle resultaten krijgen voor een klein aantal qubits, door hun gedrag op een klassieke computer te simuleren", legt Yu van CSI uit.
Kharzeev en Yu werken samen met medewerkers van NVIDIA, het bedrijf dat oorspronkelijk de grafische verwerkingseenheden (GPU's) ontwikkelde die worden gebruikt in de krachtigste supercomputers van vandaag, om klassieke computers nog geschikter te maken voor het uitvoeren van kwantumsimulaties.
"Je kunt de kwantumpoorten herschikken om ze te optimaliseren voor het uitvoeren van kwantumsimulaties", zei Yu.
Maar zelfs deze geoptimaliseerde klassieke computers zullen uiteindelijk hun topprestatie bereiken als het aantal qubits dat nodig is voor simulaties groeit – zoals het geval moet zijn om de evolutie van jets gedurende langere tijd over grotere afstanden te volgen, bijvoorbeeld.
Er worden veel inspanningen geleverd om de prestaties van kwantumcomputers te verbeteren, met name om de foutbeperking te verbeteren. Kharzeev neemt aan dit werk deel als onderdeel van het Co-design Center for Quantum Advantage (C 2 QA), een nationaal onderzoekscentrum voor Quantum Information Science (QIS) onder leiding van Brookhaven Lab.
"Veel mensen werken aan het oplossen van de uitdagingen van het bouwen van kwantumcomputers", zei Kharzeev. “Ik heb er vertrouwen in dat we in de nabije toekomst een grote verscheidenheid aan complexere kwantumsimulaties op deze machines van de volgende generatie zullen kunnen uitvoeren, waarbij we de kennis die we al hebben verworven over kwantuminteracties gebruiken om het gedrag van kwantuminteracties verder te onderzoeken. de kwantumdeeltjes waaruit onze wereld bestaat."