Team simuliert Collider-Physik auf Quantencomputer

Die Physiker Christian Bauer, Marat Freytsis und Benjamin Nachman vom Lawrence Berkeley National Laboratory haben einen IBM Q-Quantencomputer über das Quantum Computing User Program der Oak Ridge Leadership Computing Facility genutzt, um einen Teil einer Berechnung der Kollision zweier Protonen zu erfassen. Die Berechnung kann die Wahrscheinlichkeit zeigen, dass ein ausgehendes Teilchen zusätzliche Teilchen emittiert.

In der jüngsten Arbeit des Teams, veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfung, beschreiben die Forscher, wie sie eine Methode namens effektive Feldtheorie verwendeten, um ihre vollständige Theorie in Komponenten zu zerlegen. Letztendlich entwickelten sie einen Quantenalgorithmus, der die Berechnung einiger dieser Komponenten auf einem Quantencomputer ermöglicht, während andere Berechnungen klassischen Computern überlassen werden.

„Für eine naturnahe Theorie haben wir gezeigt, wie das im Prinzip funktionieren würde. Dann haben wir eine sehr vereinfachte Version dieser Theorie genommen und eine explizite Berechnung auf einem Quantencomputer durchgeführt“, sagte Nachman.

Das Team von Berkeley Lab will Einblicke in die kleinsten Bausteine ​​der Natur gewinnen, indem es hochenergetische Teilchenkollisionen in Laborumgebungen wie dem Large Hadron Collider in Genf, Schweiz, beobachtet. Das Team untersucht, was bei diesen Kollisionen passiert, indem es Berechnungen verwendet, um Vorhersagen mit den tatsächlichen Kollisionstrümmern zu vergleichen.

„Eine der Schwierigkeiten bei dieser Art von Berechnungen ist, dass wir einen großen Energiebereich beschreiben wollen“, sagte Nachman. „Wir wollen die energiereichsten Prozesse bis hin zu den energieärmsten Prozessen beschreiben, indem wir die entsprechenden Teilchen analysieren, die in unseren Detektor einfliegen.“

Die alleinige Verwendung eines Quantencomputers zur Lösung dieser Art von Berechnungen erfordert eine Anzahl von Qubits, die die heute verfügbaren Quantencomputerressourcen weit übersteigen. Das Team kann diese Probleme auf klassischen Systemen mit Näherungen berechnen, aber diese ignorieren wichtige Quanteneffekte. Daher wollte das Team die Berechnung in verschiedene Teile aufteilen, die entweder für klassische Systeme oder Quantencomputer gut geeignet sind.

Das Team führte Experimente mit dem IBM Q durch das QCUP-Programm des OLCF im Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums durch, um zu überprüfen, ob die von ihnen entwickelten Quantenalgorithmen die erwarteten Ergebnisse in kleinem Maßstab reproduzieren, die immer noch mit klassischen Computern berechnet und bestätigt werden können.

„Dies ist ein absolut kritisches Demonstrationsproblem“, sagte Nachman. „Für uns ist es wichtig, dass wir die Eigenschaften dieser Teilchen theoretisch beschreiben und dann tatsächlich eine Version davon auf einem Quantencomputer implementieren. Viele Herausforderungen, die beim Laufen auf einem Quantencomputer auftreten, treten nicht theoretisch auf. Unser Algorithmus skaliert, Wenn wir also mehr Quantenressourcen bekommen, werden wir in der Lage sein, Berechnungen durchzuführen, die wir klassisch nicht durchführen könnten.“

Das Team zielt auch darauf ab, Quantencomputer nutzbar zu machen, damit sie die Art von Wissenschaft durchführen können, die sie sich erhoffen. Quantencomputer sind laut, und dieses Rauschen führt zu Fehlern in den Berechnungen. Daher setzte das Team auch Techniken zur Fehlerminderung ein, die es in früheren Arbeiten entwickelt hatte.

Als nächstes hofft das Team, seinem Problem weitere Dimensionen hinzuzufügen, seinen Raum in eine kleinere Anzahl von Punkten aufzuteilen und die Größe seines Problems zu vergrößern. Schließlich hoffen sie, auf einem Quantencomputer Berechnungen durchführen zu können, die mit klassischen Computern nicht möglich sind.

„Die Quantencomputer, die über die IBM-Q-Vereinbarung des ORNL verfügbar sind, haben etwa 100 Qubits, also sollten wir in der Lage sein, auf größere Systemgrößen zu skalieren“, sagte Nachman.

Die Forscher hoffen auch, ihre Annäherungen zu lockern und sich physikalischen Problemen zuzuwenden, die näher an der Natur liegen, damit sie Berechnungen durchführen können, die mehr als nur ein Machbarkeitsnachweis sind.