Att utforska de minsta avståndsskalorna med partikelkolliderare kräver ofta detaljerade beräkningar av spektra av utgående partiklar (minst fyllda gröna cirklar). Kredit:Benjamin Nachman, Berkeley Lab
Lawrence Berkeley National Laboratory fysiker Christian Bauer, Marat Freytsis och Benjamin Nachman har utnyttjat en IBM Q kvantdator genom Oak Ridge Leadership Computing Facility Quantum Computing User Program för att fånga en del av en beräkning av två protoner som kolliderar. Beräkningen kan visa sannolikheten att en utgående partikel kommer att avge ytterligare partiklar.
I lagets senaste artikel, publicerad i Physical Review Letters , beskriver forskarna hur de använde en metod som kallas effektiv fältteori för att bryta ner hela sin teori i komponenter. I slutändan utvecklade de en kvantalgoritm för att möjliggöra beräkning av vissa av dessa komponenter på en kvantdator samtidigt som andra beräkningar lämnas kvar för klassiska datorer.
"För en teori som ligger nära naturen visade vi hur detta skulle fungera i princip. Sedan tog vi en mycket förenklad version av den teorin och gjorde en explicit beräkning på en kvantdator," sa Nachman.
Berkeley Lab-teamet syftar till att avslöja insikter om naturens minsta byggstenar genom att observera högenergipartikelkollisioner i laboratoriemiljöer, såsom Large Hadron Collider i Genève, Schweiz. Teamet undersöker vad som händer i dessa kollisioner genom att använda beräkningar för att jämföra förutsägelser med det faktiska kollisionsskräpet.
"En av svårigheterna med den här typen av beräkningar är att vi vill beskriva ett stort spektrum av energier," sa Nachman. "Vi vill beskriva processerna med högst energi ner till processerna med lägst energi genom att analysera motsvarande partiklar som flyger in i vår detektor."
Att enbart använda en kvantdator för att lösa den här typen av beräkningar kräver ett antal kvantbitar som är långt bortom de kvantberäkningsresurser som finns tillgängliga idag. Teamet kan beräkna dessa problem på klassiska system med hjälp av approximationer, men dessa ignorerar viktiga kvanteffekter. Därför strävade teamet efter att dela upp beräkningen i olika bitar som antingen var väl lämpade för klassiska system eller kvantdatorer.
Teamet körde experiment på IBM Q genom OLCF:s QCUP-program vid det amerikanska energidepartementets Oak Ridge National Laboratory för att verifiera att de kvantalgoritmer de utvecklade återgav de förväntade resultaten i liten skala som fortfarande kan beräknas och bekräftas med klassiska datorer.
"Detta är ett absolut kritiskt demonstrationsproblem", sa Nachman. "För oss är det viktigt att vi beskriver dessa partiklars egenskaper teoretiskt och sedan faktiskt implementerar en version av dem på en kvantdator. Många utmaningar som uppstår när du kör på en kvantdator händer inte teoretiskt. Vår algoritm skalar, så när vi får mer kvantresurser kommer vi att kunna göra beräkningar som vi inte kunde göra klassiskt."
Teamet syftar också till att göra kvantdatorer användbara så att de kan utföra den typ av vetenskap de hoppas kunna göra. Kvantdatorer är bullriga, och detta brus introducerar fel i beräkningarna. Därför har teamet också implementerat felreducerande tekniker som de hade utvecklat i tidigare arbete.
Därefter hoppas teamet lägga till fler dimensioner till sitt problem, dela upp sitt utrymme i ett mindre antal punkter och skala upp storleken på sitt problem. Så småningom hoppas de kunna göra beräkningar på en kvantdator som inte är möjliga med klassiska datorer.
"Kvantdatorerna som är tillgängliga genom ORNL:s IBM Q-avtal har cirka 100 qubits, så vi borde kunna skala upp till större systemstorlekar," sa Nachman.
Forskarna hoppas också kunna slappna av i sina uppskattningar och övergå till fysikproblem som ligger närmare naturen så att de kan utföra beräkningar som är mer än proof of concept. + Utforska vidare
