En grupp forskare vid Department of Energy's Fermilab har kommit fram till hur man använder kvantberäkning för att simulera de grundläggande interaktioner som håller ihop vårt universum.

I ett papper publicerat i Fysiska granskningsbrev , Fermilab -forskare fyller ett iögonfallande gap i modelleringen av den subatomära världen med hjälp av kvantdatorer, adresserar en familj av partiklar som, tills nyligen, har relativt försummats i kvantsimuleringar.

De grundläggande partiklarna som utgör vårt universum kan delas in i två grupper:partiklar som kallas fermioner, vilka är materiens byggstenar, och partiklar som kallas bosoner, som är fältpartiklar och drar på materialpartiklarna.

Under de senaste åren har forskare har framgångsrikt utvecklat kvantalgoritmer för att beräkna system gjorda av fermioner. Men de har haft det mycket svårare att göra samma sak för bosonsystem.

För första gången, Fermilab-forskaren Alexandru Macridin har hittat ett sätt att modellera system som innehåller både fermioner och bosoner på kvantdatorer för allmänna ändamål, öppna en dörr till realistiska simuleringar av det subatomära riket. Hans arbete är en del av Fermilabs kvantvetenskapliga program.

"Representationen av bosoner i kvantberäkning behandlades aldrig särskilt bra i litteraturen tidigare, "Sa Macridin." Vår metod fungerade, och bättre än vi förväntat oss. "

Bosons relativa dunkelhet i kvantberäkningslitteratur har dels att göra med bosoner själva och dels med hur kvantberäkningsforskning har utvecklats.

Under det senaste decenniet har utvecklingen av kvantalgoritmer fokuserade starkt på att simulera rent fermioniska system, såsom molekyler i kvantkemi.

"Men inom högenergifysik, vi har också bosoner, och högenergifysiker är särskilt intresserade av samspelet mellan bosoner och fermioner, "sa Fermilab -forskaren Jim Amundson, en medförfattare till Physical Review Letters-papper. "Så vi tog befintliga fermionmodeller och utökade dem till att inkludera bosoner, och vi gjorde det på ett nytt sätt. "

Den största barriären för modellering av bosoner relaterade till egenskaperna hos en qubit - en kvantbit.

Kartlägga staterna

En qubit har två tillstånd:en och noll.

Liknande, ett fermiontillstånd har två distinkta lägen:ockuperat och obebott.

Kubbitens tvåstatliga egendom innebär att den kan representera ett fermiontillstånd ganska enkelt:Ett qubit-tillstånd tilldelas "ockuperat, " och den andra, "obesatt."

(Du kanske kommer ihåg något om ockupationen av stater från gymnasiets kemi:Atoms elektronorbitaler kan var och en uppta högst en elektron. Så de är antingen ockuperade eller inte. Dessa orbitaler, i tur och ordning, kombinera för att bilda elektronskal som omger kärnan.)

En-till-en-kartläggningen mellan qubit-tillstånd och fermion-tillstånd gör det enkelt att bestämma antalet qubits du behöver för att simulera en fermionisk process. Om du har att göra med ett system med 40 fermiontillstånd, som en molekyl med 40 orbitaler, du behöver 40 qubits för att representera det.

I en kvantsimulering, en forskare sätter upp qubits för att representera det ursprungliga tillståndet för, säga, en molekylär process. Sedan manipuleras qubits enligt en algoritm som återspeglar hur processen utvecklas.

Mer komplexa processer kräver ett större antal qubits. När antalet växer, så gör den datorkraft som behövs för att utföra den. Men även med bara en handfull qubits till förfogande, forskare kan ta itu med några intressanta problem relaterade till fermionprocesser.

"Det finns en väl utvecklad teori för hur man kartlägger fermioner till qubits, "sa Fermilab -teoretikern Roni Harnik, medförfattare till tidningen.

Bosoner, naturens kraftpartiklar, är en annan historia. Att kartlägga dem blir snabbt komplicerat. Det beror delvis på, till skillnad från det begränsade, två-val fermion tillstånd, bosonstater är mycket tillmötesgående.

Tillmötesgående bosoner

Eftersom endast en fermion kan uppta ett visst fermionkvanttillstånd, det tillståndet är antingen ockuperat eller inte - ett eller noll.

I kontrast, ett bosontillstånd kan varieras ockuperat, rymmer en boson, en zillion bosoner, eller något däremellan. Det gör det svårt att kartlägga bosoner till qubits. Med bara två möjliga stater, en enda qubit kan inte, av sig själv, representerar en bosonstat.

Med bosoner, frågan är inte om qubiten representerar ett ockuperat eller obebott tillstånd, men hellre, hur många qubits behövs för att representera bosontillståndet.

"Forskare har kommit på sätt att koda bosoner till qubits som skulle kräva ett stort antal qubits för att ge dig exakta resultat, "Sa Amundson.

Ett oöverkomligt stort antal, i många fall. Med några metoder, en användbar simulering skulle behöva miljontals qubits för att troget modellera en bosonprocess, som omvandlingen av en partikel som i slutändan producerar en ljuspartikel, som är en typ av boson.

Och det är bara för att representera processens första installation, än mindre att låta det utvecklas.

Macridins lösning var att omforma bosonsystemet som något annat, något mycket välkänt för fysiker - en harmonisk oscillator.

Harmoniska oscillatorer finns överallt i naturen, från subatomära till astronomiska skalor. Molekylernas vibration, strömpulsen genom en krets, upp-och-ner-boben på en laddad fjäder, en planets rörelse runt en stjärna - alla är harmoniska oscillatorer. Även bosoniska partiklar, som de Macridin ville simulera, kan behandlas som små harmoniska oscillatorer. Tack vare deras allestädes närvarande, harmoniska oscillatorer är väl förstådda och kan modelleras exakt.

Med en bakgrund inom kondensfysik-studiet av naturen ett par snäpp upp från partikelgrunden-var Macridin bekant med att modellera harmoniska oscillatorer i kristaller. Han hittade ett sätt att representera en harmonisk oscillator på en kvantdator, kartlägga sådana system till qubits med exceptionell precision och möjliggöra exakt simulering av bosoner på kvantdatorer.

Och till en låg qubit -kostnad:Att representera en diskret harmonisk oscillator på en kvantdator kräver bara några qubits, även om oscillatorn representerar ett stort antal bosoner.

"Vår metod kräver ett relativt litet antal qubits för bosonstater - exponentiellt mindre än vad som föreslogs av andra grupper tidigare, "Sa Macridin." För andra metoder för att göra samma sak, de skulle förmodligen behöva storleksordningar större antal qubits. "

Macridin uppskattar att sex qubits per bosontillstånd är tillräckligt för att utforska intressanta fysikproblem.

Simuleringsframgång

Som en prövning av Macridins kartläggningsmetod, Fermilab -gruppen utnyttjade först kvantfältteorin, en gren av fysiken som fokuserar på modellering av subatomära strukturer. De modellerade framgångsrikt elektronernas interaktion i en kristall med vibrationerna i atomerna som bildar kristallen. 'Enheten' för den vibrationen är en boson som kallas en fonon.

Med hjälp av en kvantsimulator på närliggande Argonne National Laboratory, de modellerade elektron-fononsystemet och-voila!-de visade att de kunde beräkna, med hög noggrannhet, systemets egenskaper med endast cirka 20 qubits. Simulatorn är en klassisk dator som simulerar hur en kvantdator, upp till 35 qubits, Arbetar. Argonne -forskare utnyttjar simulatorn och deras expertis inom skalbara algoritmer för att utforska den potentiella effekten av kvantberäkning inom viktiga områden som kvantkemi och kvantmaterial.

"Vi visade att tekniken fungerade, Sa Harnik.

De visade vidare att genom att representera bosoner som harmoniska oscillatorer, man skulle effektivt och exakt kunna beskriva system som involverar fermion-boson-interaktioner.

"Det visade sig vara en bra passform, "Sa Amundson.

"Jag hade börjat med en idé, och det fungerade inte så då ändrade jag representationen av bosonerna, "Sa Macridin." Och det fungerade bra. Det gör simuleringen av fermion-bosonsystem möjlig för kortsiktiga kvantdatorer. "

Universell applikation

Fermilab -gruppens simulering är inte första gången forskare har modellerat bosoner i kvantdatorer. Men i de andra fallen, forskare använde hårdvara speciellt utformad för att simulera bosoner, så den simulerade utvecklingen av ett bosonsystem skulle ske naturligt, så att säga, på de speciella datorerna.

Fermilab-gruppens tillvägagångssätt är det första som kan tillämpas effektivt för allmänna ändamål, digital kvantdator, även kallad en universell kvantdator.

Nästa steg för Macridin, Amundson och andra partikelfysiker på Fermilab ska använda sin metod för problem inom högenergifysik.

"I naturen, fermion-boson-interaktioner är grundläggande. De dyker upp överallt, "Sa Macridin." Nu kan vi utöka vår algoritm till olika teorier inom vårt område. "

Deras prestation sträcker sig bortom partikelfysik. Amundson säger att deras grupp har hört av materialforskare som tror att arbetet kan vara användbart för att lösa problem i verkligheten inom överskådlig framtid.

"Vi introducerade bosoner på ett nytt sätt som kräver färre resurser, "Sade Amundson." Det öppnar verkligen upp en helt ny klass av kvantsimuleringar. "