Наука

Моделирование материи в экстремальных условиях имеет решающее значение для ответа на фундаментальные вопросы о природе. Стандартная модель физики элементарных частиц предлагает набор уравнений, которые могут объяснить эти тайны. Однако в ситуациях, связанных с динамикой или высокой плотностью, уравнения Стандартной модели слишком сложны для решения или моделирования с помощью самых мощных классических суперкомпьютеров. Квантовые вычисления открывают возможности для эффективного моделирования этих систем в будущем. Тем не менее, одна из проблем заключается в том, как эффективно подготовить начальное состояние этих симуляций на кубитах квантового компьютера. В этом исследовании ученые впервые создали масштабируемые квантовые схемы для начального состояния столкновения по типу того, что происходит в ускорителе частиц. Тест включает в себя сильные взаимодействия Стандартной модели. Исследователи впервые определили эти схемы для небольших систем с помощью классических компьютеров. Затем они воспользовались масштабируемостью квантовых схем для подготовки симуляции больших систем на квантовом компьютере. Они успешно использовали эту технику для моделирования фундаментальных аспектов ядерной физики на более чем 100 кубитах квантовых компьютеров IBM.

Результат

Масштабируемые квантовые алгоритмы открывают путь вперед для сложных симуляций. Этот подход может быть направлен на подготовку вакуума перед столкновением частиц, системы с очень высокими плотностями и пучки адронов. Исследователи ожидают, что будущие квантовые симуляции с использованием этих масштабируемых схем превзойдут возможности классических вычислений. Эти симуляции позволят получить представление о механизмах, которые управляют динамикой фундаментальных частиц и нашей Вселенной. Они могут помочь ответить на вопрос, почему материи больше, чем антиматерии, как сверхновые производят тяжелые элементы и о свойствах материи при сверхвысоких плотностях. Эти квантовые схемы также должны помочь в моделировании других сложных систем, в том числе экзотических типов материалов.

Сводка

Физики-ядерщики провели крупнейшее на сегодняшний день цифровое квантовое моделирование с использованием квантовых компьютеров IBM. Симметрии и иерархии в масштабах длин физических систем помогли в открытии масштабируемых квантовых схем для подготовки состояний с локализованными корреляциями на квантовом компьютере. Исследователи продемонстрировали полезность этого алгоритма, подготовив вакуум и адроны квантовой электродинамики в одном пространственном измерении.

Команда провела моделирование с использованием классических компьютеров для небольших систем, чтобы определить масштабируемые элементы квантовой схемы и продемонстрировать, что состояния можно систематически улучшать. Исследователи увеличили схемы до размеров системы более 100 кубитов и внедрили схемы в квантовые компьютеры IBM. Команда использовала результаты квантового компьютера для определения свойств вакуума с точностью до процентов. Кроме того, они использовали масштабируемые схемы для подготовки импульсов адронов, которые со временем эволюционировали для наблюдения за их распространением. Эти разработки обеспечивают многообещающий способ в конечном итоге выполнять динамическое моделирование материи в экстремальных условиях, которые выходят за рамки возможностей только классических вычислений.

Финансирование

Это исследование было частично поддержано Управлением науки Министерства энергетики (DOE), Управлением ядерной физики, InQubator for Quantum Simulation (IQuS) в рамках инициативы «Квантовые горизонты: исследования и инновации QIS для ядерной науки»; Центр квантовых наук (QSC), Национальный исследовательский центр квантовой информатики Министерства энергетики и Вашингтонского университета. В этом исследовании использовались ресурсы Oak Ridge Leadership Computing Facility, пользовательского объекта Управления по науке Министерства энергетики США. Эта работа стала возможной, в частности, благодаря использованию передовой вычислительной, сетевой и вычислительной инфраструктуры, предоставленной суперкомпьютерной системой Hyak в Вашингтонском университете. Исследователи признают использование сервисов IBM Quantum для этой работы.