Группа исследователей из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) использовала квантовый компьютер для успешного моделирования аспекта столкновений частиц, которым обычно пренебрегают в экспериментах по физике высоких энергий, таких как те, которые происходят на Большом адронном коллайдере ЦЕРНА.

Разработанный ими квантовый алгоритм объясняет сложность партонных ливней, которые представляют собой сложные всплески частиц, образующихся при столкновениях, включающих процессы образования и распада частиц.

Классические алгоритмы, обычно используемые для моделирования партоновских ливней, такие как популярные алгоритмы Марковской цепи Монте-Карло, упускают из виду несколько квантовых эффектов, отмечают исследователи в исследовании, опубликованном онлайн 10 февраля в журнале Physical Review Letters, в котором подробно описан их квантовый алгоритм.

"Мы, по сути, показали, что вы можете поместить партонный душ на квантовый компьютер с эффективными ресурсами, - сказал Кристиан Бауэр, руководитель Теоретической группы и главный исследователь квантовых вычислений в физическом отделе Лаборатории Беркли, - и мы показали, что существуют определенные квантовые эффекты, которые трудно описать на классическом компьютере, которые вы могли бы описать на квантовом компьютере." Бауэр руководил недавним исследованием.

Их подход объединяет квантовые и классические вычисления: он использует квантовое решение только для той части столкновений частиц, которая не может быть решена с помощью классических вычислений, и использует классические вычисления для решения всех других аспектов столкновений частиц.

Исследователи построили так называемую "игрушечную модель", упрощенную теорию, которая может быть запущена на реальном квантовом компьютере, но при этом содержит достаточно сложности, чтобы ее нельзя было смоделировать классическими методами.

"Квантовый алгоритм вычисляет все возможные исходы одновременно, а затем выбирает один", - сказал Бауэр. "По мере того как данные становятся все более точными, наши теоретические прогнозы должны становиться все более точными. И в какой-то момент эти квантовые эффекты становятся достаточно большими, чтобы они действительно имели значение", и их нужно учитывать.

При построении своего квантового алгоритма исследователи учитывали различные процессы и результаты частиц, которые могут происходить в партонном ливне, учитывали состояние частиц, историю выбросов частиц, происходили ли выбросы и количество частиц, произведенных в ливне, включая отдельные подсчеты для бозонов и для двух типов фермионов.

Квантовый компьютер "вычислял эти истории одновременно и суммировал все возможные истории на каждом промежуточном этапе", - отметил Бауэр.

Исследовательская группа использовала чип IBM Q-квантовый компьютер с 20 кубитами. Каждый кубит, или квантовый бит, способен представлять ноль, единицу и состояние так называемой суперпозиции, в котором он представляет одновременно и ноль, и единицу. Эта суперпозиция делает кубиты уникально мощными по сравнению со стандартными вычислительными битами, которые могут представлять ноль или единицу.

Исследователи построили четырехступенчатую схему квантового компьютера с использованием пяти кубитов, и алгоритм требует 48 операций. Исследователи отметили, что шум в квантовом компьютере, скорее всего, виноват в различиях результатов с квантовым симулятором.

Хотя новаторские усилия команды по применению квантовых вычислений к упрощенной части данных коллайдера частиц многообещающи, Бауэр сказал, что он не ожидает, что квантовые компьютеры окажут большое влияние на область физики высоких энергий в течение нескольких лет-по крайней мере, до тех пор, пока аппаратное обеспечение не улучшится.

По словам Бауэра, квантовым компьютерам потребуется больше кубитов и гораздо меньше шума, чтобы добиться настоящего прорыва. - Многое зависит от того, как быстро машины станут лучше." Но он отметил, что для этого предпринимаются огромные и растущие усилия, и важно начать думать об этих квантовых алгоритмах сейчас, чтобы быть готовым к грядущим достижениям в области аппаратного обеспечения.

Такие квантовые скачки в технологии являются главным фокусом поддерживаемого энергетическим департаментом совместного квантового научно-исследовательского центра, частью которого является лаборатория Беркли, называемого Ускорителем квантовых систем.

По мере совершенствования аппаратного обеспечения в квантовом алгоритме можно будет учитывать больше типов бозонов и фермионов, что повысит его точность.

Такие алгоритмы в конечном итоге должны иметь широкое влияние в области физики высоких энергий, сказал он, а также могут найти применение в экспериментах на тяжелых ионах-коллайдерах.

ИСТОЧНИК