Inom kärnfysik, som mycket av vetenskapen, Enbart detaljerade teorier är inte alltid tillräckligt för att låsa upp solida förutsägelser. Det är ofta för många bitar, interagerar på komplexa sätt, för forskare att följa en teoris logik till dess slut. Det är en anledning till att det fortfarande finns så många mysterier i naturen, inklusive hur universums grundläggande byggstenar smälter samman och bildar stjärnor och galaxer. Detsamma gäller i högenergiexperiment, där partiklar som protoner slår samman i otroliga hastigheter för att skapa extrema förhållanden som liknar dem strax efter Big Bang.

Lyckligtvis, forskare kan ofta använda simuleringar för att skära igenom krångligheterna. En simulering representerar de viktiga aspekterna av ett system – som ett plan, en stads trafikflöde eller en atom - som en del av en annan, mer tillgängligt system (som ett datorprogram eller en skalenlig modell). Forskare har använt sin kreativitet för att göra simuleringar billigare, snabbare eller lättare att arbeta med än de formidabla ämnen de undersöker – som protonkollisioner eller svarta hål.

Simuleringar går utöver en fråga om bekvämlighet; de är väsentliga för att ta itu med fall som både är för svåra att direkt observera i experiment och som är för komplexa för att forskare ska kunna dra ut varje logisk slutsats från grundläggande principer. Olika forskningsgenombrott – från att modellera de komplexa interaktionerna mellan molekylerna bakom livet till att förutsäga de experimentella signaturerna som i slutändan möjliggjorde identifieringen av Higgs-bosonen – har resulterat från den geniala användningen av simuleringar.

Men med konventionella simuleringar kommer du bara så långt. I många fall, en simulering kräver så många beräkningar att de bästa datorerna som någonsin byggts inte kan göra meningsfulla framsteg – inte ens om du är villig att vänta hela ditt liv.

Nu, kvantsimulatorer (som utnyttjar kvanteffekter som superposition och intrassling) lovar att ta sin kraft att utöva på många problem som har vägrat att ge efter för simuleringar som byggts ovanpå klassiska datorer – inklusive problem inom kärnfysik. Men för att köra någon simulering, kvant eller på annat sätt, forskare måste först bestämma hur de troget ska representera sitt intressesystem i sin simulator. De måste skapa en karta mellan de två.

Beräkningskärnfysikern Zohreh Davoudi, en biträdande professor i fysik vid University of Maryland (UMD), samarbetar med forskare vid JQI för att utforska hur kvantsimuleringar kan hjälpa kärnfysiker. De arbetar med att skapa några av de första kartorna mellan teorierna som beskriver kärnfysikens grunder och de tidiga kvantsimulatorerna och kvantdatorerna som sätts samman i labb.

"Det verkar som om vi är på väg att gå in i nästa fas av datorer som drar fördel av kvantmekaniken, " säger Davoudi. "Och om kärnkraftsforskare inte kommer in på det här området nu - om vi inte börjar flytta våra problem till sådan kvanthårdvara, vi kanske inte kommer ikapp senare eftersom kvantberäkningar utvecklas väldigt snabbt."

Davoudi och flera kollegor, inklusive JQI Fellows Chris Monroe och Mohammad Hafezi, designade sitt tillvägagångssätt för att göra kartor med ett öga mot kompatibilitet med kvantteknologierna vid horisonten. I en ny tidning publicerad 8 april, 2020 i tidskriften Physical Review Research, de beskriver sin nya metod och hur den skapar nya simuleringsmöjligheter för forskare att utforska.

"Det är ännu inte klart exakt var kvantdatorer kommer att vara användbara, "säger Monroe, som också är professor i fysik vid UMD och medgrundare av kvantdatorstartupen IonQ. "En strategi är att distribuera dem på problem som är baserade i kvantfysik. Det finns många tillvägagångssätt inom elektronisk struktur och kärnfysik som är så belastande för vanliga datorer att kvantdatorer kan vara en väg framåt."

Mönster och kontroll

Som ett första mål, laget siktade på teorier om gittermätare. Gauge teorier beskriver en mängd olika fysik, inklusive kvarkars och gluoners invecklade dans – de grundläggande partiklarna i kärnfysiken. Gitterversioner av mätteorier förenklar beräkningar genom att begränsa alla partiklar och deras interaktioner till ett ordnat rutnät, som pjäser på ett schackbräde.

Även med denna förenkling, moderna datorer kan fortfarande kvävas när de simulerar täta materialklumpar eller när de spårar hur materia förändras över tid. Teamet tror att kvantdatorer kan övervinna dessa begränsningar och så småningom simulera mer utmanande typer av mätningsteorier - till exempel kvantkromodynamik, som beskriver de starka växelverkan som binder kvarkar och gluoner till protoner och neutroner och håller ihop dem som atomkärnor.

Davoudi och hennes kollegor valde fångade atomjoner - Monroes specialitet - som det fysiska systemet för att utföra deras simulering. I dessa system, joner, som är elektriskt laddade atomer, sväva, var och en fångad av ett omgivande elektriskt eller magnetiskt fält. Forskare kan designa dessa fält för att ordna jonerna i olika mönster som kan användas för att lagra och överföra information. För detta förslag, laget fokuserade på joner organiserade i en rak linje.

Forskare använder lasrar för att kontrollera varje jon och dess interaktioner med grannar - en viktig förmåga när man skapar en användbar simulering. Jonerna är mycket mer tillgängliga än de mindre partiklarna som fascinerar Davoudi. Kärnfysiker kan bara drömma om att uppnå samma nivå av kontroll över interaktionerna i atomernas hjärtan.

"Ta ett problem på femtometerskalan och expandera det till mikronskala - som dramatiskt ökar vår kontrollnivå, " säger Hafezi, som också är docent vid institutionen för elektro- och datateknik och institutionen för fysik vid UMD. "Tänk dig att du skulle dissekera en myra. Nu är myran utsträckt till avståndet mellan Boston och Los Angeles."

När de utformar sin kartframställningsmetod, teamet tittade på vad som kan göras med vanliga lasrar. De insåg att nuvarande teknik gör att jonfällare kan sätta upp lasrar i en ny, effektivt sätt som möjliggör samtidig kontroll av tre olika spinninteraktioner för varje jon.

"Fångade jonsystem kommer med en verktygslåda för att simulera dessa problem, " säger Hafezi. "Deras fantastiska funktion är att man ibland kan gå tillbaka och designa fler verktyg och lägga till det i lådan."

Med denna möjlighet i åtanke, forskarna utvecklade en procedur för att producera kartor med två önskvärda egenskaper. Först, kartorna maximerar hur troget jonfällningssimuleringen matchar en önskad gittermåttteori. Andra, de minimerar de fel som uppstår under simuleringen.

I tidningen, forskarna beskriver hur detta tillvägagångssätt kan göra det möjligt för en endimensionell sträng av joner att simulera några enkla gittermåttsteorier, inte bara i en dimension utan även högre dimensioner. Med detta tillvägagångssätt, beteendet hos jonspin kan skräddarsys och kartläggas till en mängd olika fenomen som kan beskrivas med gittermätaresteorier, såsom generering av materia och antimateria ur ett vakuum.

"Som kärnkraftsteoretiker, Jag är glad att arbeta vidare med teoretiker och experimentalister med expertis inom atomär, molekyl, och optisk fysik och i jonfälleteknik för att lösa mer komplexa problem, " säger Davoudi. "Jag förklarade det unika med mitt problem och mitt system, och de förklarade funktionerna och funktionerna i deras system, sedan brainstormade vi idéer om hur vi kan göra denna kartläggning."

Monroe påpekar att "detta är exakt vad som behövs för framtiden för kvantberäkning. Denna" samdesign "av enheter som är skräddarsydda för specifika applikationer är det som gör fältet fräscht och spännande."

Analog kontra digital

De simuleringar som Davoudi och hennes kollegor föreslagit är exempel på analoga simuleringar, eftersom de direkt representerar element och interaktioner i ett system med de i ett annat system. Rent generellt, analoga simulatorer måste utformas för ett visst problem eller en uppsättning problem. Detta gör dem mindre mångsidiga än digitala simulatorer, som har en etablerad uppsättning diskreta byggstenar som kan sättas ihop för att simulera nästan vad som helst med tillräckligt med tid och resurser.

Mångsidigheten hos digitala simuleringar har förändrat världen, men ett väldesignat analogt system är ofta mindre komplext än sin digitala motsvarighet. Noggrant utformade kvantanalogiska simuleringar kan ge resultat för vissa problem innan kvantdatorer på ett tillförlitligt sätt kan utföra digitala simuleringar. Detta liknar bara att använda en vindtunnel istället för att programmera en dator för att modellera hur vinden buffrar allt från en gås till ett experimentellt jaktplan.

Monroes team, i samarbete med medförfattaren Guido Pagano, en tidigare JQI-postdoktor som nu är biträdande professor vid Rice University, arbetar med att implementera den nya analoga metoden inom de närmaste åren. Det färdiga systemet bör kunna simulera en mängd olika teorier om gittermätare.

Författarna säger att denna forskning bara är början på en längre väg. Eftersom gittermåttsteorier beskrivs på matematiskt liknande sätt som andra kvantsystem, forskarna är optimistiska att deras förslag kommer att hitta användningsområden bortom kärnfysiken, såsom inom den kondenserade materiens fysik och materialvetenskap. Davoudi arbetar också med att utveckla digitala kvantsimuleringsförslag med Monroe och Norbert Linke, en annan JQI -stipendiat. Hon hoppas att de två projekten ska avslöja fördelarna och nackdelarna med varje tillvägagångssätt och ge insikt i hur forskare kan tackla kärnfysikproblem med kvantberäkningarnas fulla kraft.

"Vi vill så småningom simulera teorier av en mer komplex natur och i synnerhet kvantkromodynamik som är ansvarig för den starka kraften i naturen, " säger Davoudi. "Men det kan kräva att man tänker ännu mer utanför ramarna."