Группа исследователей из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли использовала квантовый компьютер для успешного моделирования аспекта столкновений частиц, которым обычно пренебрегают в экспериментах по физике высоких энергий, таких как те, которые происходят в Большом адронном коллайдере ЦЕРН.
Разработанный ими квантовый алгоритм учитывает сложность партонных ливней, которые представляют собой сложные всплески частиц, возникающие в результате столкновений, включающих процессы образования и распада частиц. Классические алгоритмы, обычно используемые для моделирования партонных потоков, такие как популярные алгоритмы Монте-Карло с цепью Маркова, не учитывают несколько квантовых эффектов.
Новый 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, которую можно запустить на реальном квантовом компьютере, но при этом она будет иметь достаточно сложный характер, который не позволяет моделировать ее с использованием классических методов.
«Квантовый алгоритм вычисляет все возможные результаты одновременно, а затем выбирает один. По мере того, как данные становятся все более и более точными, наши теоретические прогнозы тоже должны становиться таковыми. И в какой-то момент эти квантовые эффекты становятся достаточно большими, чтобы они действительно имели значение, и их необходимо учитывать».
Кристиан Бауэр, руководитель теоретической группы и главный исследователь квантовых вычислений в лаборатории Беркли
При построении своего квантового алгоритма исследователи учли различные процессы и результаты частиц, которые могут происходить в партонном ливне, учитывая состояние частицы, историю эмиссии частиц, происходили ли эмиссии до этого 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.
Исследовательская группа использовала микросхему IBM Q Johannesburg — квантовый компьютер с 20 кубитами. Каждый кубит или квантовый бит может представлять ноль, единицу и состояние так называемой суперпозиции, в которой он представляет одновременно 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, а алгоритм требует 48 операций. Исследователи отметили, что причиной различий в результатах с квантовым симулятором, скорее всего, является шум в квантовом компьютере.
Хотя новаторские усилия команды по применению квантовых вычислений к упрощенной части данных коллайдера частиц являются многообещающими, исследователи не обещают, что квантовые компьютеры окажут большое влияние на область физики высоких энергий в течение нескольких лет, по крайней мере, до того как оборудование улучшится. По мере совершенствования аппаратного обеспечения в квантовом алгоритме можно будет учитывать больше типов бозонов и фермионов, что повысит его точность.
Читать еще:
Аборты и наука: что будет с детьми, которых родят.
Самый большой в мире айсберг разрушился, осколки устремились на север. Это опасно?
В Корее создали солнечную панель, которую можно свернуть в рулон.
Посмотрите на изображение Марса из 8 триллионов пикселей.