Ett team av forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) använde en kvantdator för att framgångsrikt simulera en aspekt av partikelkollisioner som vanligtvis försummas i högenergifysikexperiment, som de som förekommer vid CERNs Large Hadron Collider.

Kvantalgoritmen de utvecklade står för komplexiteten i parton-duschar, som är komplicerade skurar av partiklar som produceras i kollisioner som involverar partikelproduktion och sönderfallsprocesser.

Klassiska algoritmer som vanligtvis används för att modellera partonduschar, såsom de populära Markov Chain Monte Carlo-algoritmerna, förbise flera kvantbaserade effekter, forskarna noterar i en studie publicerad online den 10 februari i tidskriften Fysiska granskningsbrev som beskriver deras kvantalgoritm.

"Vi har i huvudsak visat att du kan sätta en partondusch på en kvantdator med effektiva resurser, sade Christian Bauer, som är teorigruppsledare och fungerar som huvudutredare för kvantberäkningsinsatser i Berkeley Labs fysikavdelning, "och vi har visat att det finns vissa kvanteffekter som är svåra att beskriva på en klassisk dator som du kan beskriva på en kvantdator." Bauer ledde den senaste studien.

Deras tillvägagångssätt kombinerar kvant- och klassisk beräkning:Den använder kvantlösningen endast för den del av partikelkollisioner som inte kan åtgärdas med klassisk beräkning, och använder klassisk beräkning för att ta itu med alla andra aspekter av partikelkollisioner.

Forskare konstruerade en så kallad "leksaksmodell, " en förenklad teori som kan köras på en verklig kvantdator samtidigt som den fortfarande innehåller tillräckligt med komplexitet som förhindrar att den simuleras med klassiska metoder.

"Vad en kvantalgoritm gör är att beräkna alla möjliga utfall samtidigt, väljer sedan en, ", sa Bauer. "I takt med att uppgifterna blir mer och mer exakta, våra teoretiska förutsägelser måste bli mer och mer exakta. Och någon gång blir dessa kvanteffekter tillräckligt stora för att de faktiskt spelar roll, " och måste redovisas.

När de konstruerade sin kvantalgoritm, forskare har tagit hänsyn till de olika partikelprocesser och resultat som kan inträffa i en partondusch, redogöra för partikeltillstånd, historia av partikelutsläpp, om utsläpp har skett, och antalet partiklar som produceras i duschen, inklusive separata räkningar för bosoner och för två typer av fermioner.

Kvantdatorn "beräknade dessa historier samtidigt, och summerade alla möjliga historier vid varje mellanstadium, ", konstaterade Bauer.

Forskargruppen använde IBM Q Johannesburg-chippet, en kvantdator med 20 qubits. Varje qubit, eller kvantbit, kan representera en nolla, ett, och ett tillstånd av så kallad superposition där den representerar både en nolla och en etta samtidigt. Denna superposition är det som gör qubits unikt kraftfulla jämfört med standardberäkningsbitar, som kan representera en nolla eller etta.

Forskare konstruerade en fyrstegs kvantdatorkrets med hjälp av fem qubits, och algoritmen kräver 48 operationer. Forskare noterade att brus i kvantdatorn sannolikt kan skylla på skillnader i resultat med kvantsimulatorn.

Medan lagets banbrytande ansträngningar att tillämpa kvantberäkning på en förenklad del av partikelkolliderardata är lovande, Bauer sa att han inte förväntar sig att kvantdatorer kommer att ha en stor inverkan på högenergifysikområdet under flera år - åtminstone tills hårdvaran förbättras.

Kvantdatorer kommer att behöva fler qubits och mycket lägre brus för att få ett verkligt genombrott, sa Bauer. "Mycket beror på hur snabbt maskinerna blir bättre." Men han noterade att det finns en enorm och växande ansträngning för att få det att hända, och det är viktigt att börja tänka på dessa kvantalgoritmer nu för att vara redo för de kommande framstegen inom hårdvara.

Sådana kvantsprång i teknologin är ett av de främsta fokuserna för ett energidepartement-stödt samarbetande kvantforsknings- och utvecklingscenter som Berkeley Lab är en del av, kallas Quantum Systems Accelerator.

När hårdvaran förbättras kommer det att vara möjligt att ta hänsyn till fler typer av bosoner och fermioner i kvantalgoritmen, vilket kommer att förbättra dess noggrannhet.

Sådana algoritmer bör så småningom få bred inverkan inom högenergifysikområdet, han sa, och kunde även finna tillämpning i experiment med tunga joner.