Quantenstudie wirft neues Licht auf die Art und Weise, wie Neutrinos Supernovas antreiben

Mithilfe von Quantensimulationen gewannen Forscher neue Erkenntnisse über die Natur der Neutrinos – der mysteriösen subatomaren Teilchen, die überall im Universum vorkommen – und ihre Rolle beim Tod massereicher Sterne.

Der Studie stützte sich auf die Unterstützung des Quantum Computing User Program (QCUP) und des Quantum Science Center, eines nationalen Forschungszentrums für Quanteninformationswissenschaften am Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums. Die Arbeit wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Überprüfung.

„Dieses Verständnis war etwas Neues, das mit klassischen Computersystemen nicht möglich war“, sagte Martin Savage, der leitende Autor der Studie und Professor für Physik an der University of Washington.

„Wir haben zum ersten Mal erkannt, dass wir untersuchen können, wie die Verschränkung zwischen mehreren Neutrinos im Laufe der Zeit entsteht, und diese Ergebnisse liegen innerhalb der Fehlergrenzen dessen, was wir von einem klassischen Computer erwarten würden. Es ist ein Schritt in Richtung besserer, genauerer und skalierbarerer Quantensimulationen.“

Neutrinos entstehen bei Kernreaktionen – von den gewaltigen Reaktionen, die das Sonnenlicht zum Leuchten bringen, bis zu den winzigen Reaktionen, die radioaktive Tracer für medizinische Tests erzeugen. Diese extrem leichten Teilchen kommen überall vor, tragen keine elektrische Ladung und interagieren selten mit anderer Materie.

Doch während des Kollapses und der Explosion eines Sterns – ein Vorgang, der besser als Supernova bekannt ist – tauschen Neutrinos nicht nur untereinander, sondern auch mit ihrer gesamten Umgebung Energie und Impuls aus.

„An diesem Punkt werden die Neutrinos von passiven Teilchen – fast unbeteiligten Beobachtern – zu Hauptelementen, die den Kollaps vorantreiben“, sagte Savage. „Supernovas sind aus verschiedenen Gründen interessant, unter anderem weil sie schwere Elemente wie Gold und Eisen produzieren. Wenn wir Neutrinos und ihre Rolle beim Kollaps des Sterns besser verstehen, können wir die Häufigkeit von Ereignissen wie einer Supernova besser bestimmen und vorhersagen.“

Wissenschaftler beobachten eine Supernova selten aus der Nähe, aber Forscher haben klassische Supercomputer wie den Summit des ORNL verwendet, um Aspekte des Prozesses zu modellieren. Diese Werkzeuge allein würden jedoch nicht ausreichen, um die Quantennatur der Neutrinos zu erfassen.

„Diese Neutrinos sind verschränkt, das heißt, sie interagieren nicht nur mit ihrer Umgebung und nicht nur mit anderen Neutrinos, sondern auch mit sich selbst“, sagte Savage.

„Es ist extrem schwierig, diese Art von System zu simulieren, weil Verschränkung eine intrinsische quantenmechanische Eigenschaft ist, die über das hinausgeht, was wir in der klassischen Computertechnik erfassen und approximieren können. Deshalb brauchen wir einen Quantencomputer, der Berechnungen auf der Grundlage der Quantenphysik verwendet, um zu modellieren, was passiert.“

Savage und sein Co-Autor Marc Illa vom InQubator for Quantum Simulation der University of Washington erhielten eine Zeitzuteilung auf dem H1-1-Quantencomputer von Quantinuum über QCUP, Teil der Oak Ridge Leadership Computing Facility, die landesweit Zeit auf privaten Quantenprozessoren vergibt, um Forschungsprojekte zu unterstützen. Der Quantinuum-Computer verwendet gefangene Ionen als Qubits, einen von mehreren Quantencomputer-Ansätzen.

Klassische Computer speichern Informationen in Bits, die entweder 0 oder 1 sind. Mit anderen Worten: Ein klassisches Bit kann, wie ein Lichtschalter, einen von zwei Zuständen annehmen: an oder aus.

Quantencomputer speichern Informationen in Qubits, dem Quantenäquivalent von Bits. Im Gegensatz zu klassischen Bits können Qubits durch Quantenüberlagerung gleichzeitig in mehreren Zuständen existieren – eher wie ein Drehschalter mit einer größeren Bandbreite detaillierterer Einstellungen als ein Ein-/Ausschalter. Dieser Unterschied ermöglicht es Qubits, mehr Informationen zu speichern als klassische Bits. Wissenschaftler hoffen, diese erhöhte Kapazität nutzen zu können, um eine Quantencomputerrevolution voranzutreiben, die auf einer neuen Gerätegeneration aufbaut.

Diese Fähigkeit ermöglichte es Savage und dem Forschungsteam, eine Näherung der quantenmechanischen Wechselwirkungen zwischen den Neutrinos einer Supernova zu simulieren. Bei einer tatsächlichen Supernova wären mindestens eine Siebzigmillion oder 1054 Neutrinos beteiligt. Savage und Illa begannen ihre Simulation mit einem einfacheren Modell mit einem System aus 12 Neutrinos.

Jede in der Natur vorkommende Neutrino-„Variante“ bzw. jeder Neutrino-Typ entspricht einem „Partner“-Teilchen: einem Elektron, Myon oder Tau. Das in der Studie verwendete Modell konzentrierte sich auf nur zwei Varianten.

Quantenschaltkreise – das Quantenäquivalent herkömmlicher digitaler Schaltkreise – ermöglichten es dem Team, die komplizierten Verbindungen und Wechselwirkungen zwischen den Teilchen zu modellieren, sodass jedes Neutrino mit jedem der anderen interagieren konnte und nicht nur mit seinem nächsten Nachbarn.

Die Ergebnisse lieferten eine realistische Annäherung daran, wie Neutrinos auf Quantenebene verschränkt werden, so dass sich durch die Änderung der Eigenschaften eines Neutrinos auch die Eigenschaften eines anderen ändern. Während einer Supernova können Neutrinos ihre Geschmacksrichtung von einer Elektronen- zu einer Myonen- oder einer Tau-Geschmacksrichtung ändern, wenn die Neutrinos anfangen, miteinander und mit ihrer Umgebung zu interagieren. Die durch die Simulationen gewonnenen Details ermöglichten es dem Team, die Entwicklung verschiedener verschränkter Neutrinos von einer Geschmacksrichtung zur anderen im Laufe der Zeit zu messen.

Warum die Geschmacksumwandlung verfolgen? Weil die Mu- und Tau-Neutrinos anders mit Materie interagieren als ihre Elektronen-Geschwister. Diese Interaktionen können die Menge und Art der schwereren Elemente beeinflussen, die bei der Supernova-Explosion entstehen.

„Es stellte sich heraus, dass diese Schaltkreise das Verhalten der Neutrinos sehr gut abbilden“, sagte Savage. „Wir entdeckten, dass wir diese Simulationen nutzen konnten, um die Neutrino-Verschränkung auf statistisch signifikante Weise zu messen, und dass wir eine signifikante Größenskalierung bei steigender Neutrino-Anzahl feststellen konnten. Dies war das erste Mal, dass diese Art von Studie durchgeführt wurde.“

Das Haupthindernis für nützliche Quantensimulationen ist die relativ hohe Fehlerrate, die durch Rauschen verursacht wird, das die Qualität der Qubits beeinträchtigt. Das Problem ist so weit verbreitet, dass die aktuelle Generation von Quantencomputern als „Noisy Intermediate-Scale Quantum“ oder „NISQ“ bekannt geworden ist.

Verschiedene Programmiermethoden können helfen, diese Fehler zu reduzieren, aber Savage und Illa brauchten diese Methoden für ihre Studie nicht, da die Qubits und Gatter des Quantinuum-Computers von hoher Qualität waren. Die 12-Qubit-Schaltkreise des Computers erwiesen sich für fast 200 der 2-Qubit-Gatter als ausreichend.

„Wir haben festgestellt, dass die systematischen Fehler der Quantenhardware geringer waren als die statistischen Fehler“, sagte Savage. „Wir haben noch einen langen Weg vor uns, um das Verhalten großer Neutrinosysteme präzise vorherzusagen, und wir wissen nicht, ob die aktuelle Generation von NISQ-Geräten uns dorthin bringen kann. Aber diese Technik sollte auf andere Arten von Quantencomputern übertragbar sein, und die Ergebnisse helfen uns, Protokolle festzulegen, mit denen größere Neutrinosysteme simuliert werden können.“

Zu den nächsten Schritten gehört die Simulation eines Systems mit bis zu 50 Neutrinos. Savage hofft, solche Systeme in verschiedenen Umgebungen modellieren zu können.

„Wir wollen die Auswirkungen unterschiedlicher thermischer Zustände verstehen, von Zuständen im und außerhalb des Gleichgewichts“, sagte er. „Wir sind gespannt, was wir erforschen können.“