Idag finns ordet "kvantum" överallt – i företagsnamn, filmtitlar, till och med på teatrar. Men i grunden utvecklades konceptet med ett kvantum – den minsta, diskreta mängden av något – först för att förklara beteendet hos de minsta bitarna av materia och energi.
Under det senaste århundradet har forskare utvecklat matematiska beskrivningar av hur dessa partiklar och energipaket interagerar och använt sin förståelse av "kvantmekanik" för att designa en rad fantastiska teknologier – från datorer och mobiltelefoner till teleskop och rymdfarkoster.
Nya applikationer, som kraftfulla kvantdatorer och kvantkommunikationsnätverk, är strax över horisonten. Men redan innan dessa applikationer når mainstream utvecklar forskare kvantkod för att utföra kvantberäkningar – och använder den för att spåra komplexa kvantsystem.
I ett färskt exempel körde teoretiker och beräkningsforskare vid U.S. Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory och Stony Brook University (SBU) en serie kvantsimuleringar för att utforska en av de mest udda egenskaperna i kvantriket:intrassling. Studien tar kvantum tillbaka till sina rötter i försöken att förklara beteendet hos subatomära partiklar.
"Den väsentliga idén bakom intrassling är att två kvantobjekt - säg två partiklar - kan korreleras eller vara medvetna om varandra, även om de är åtskilda av mycket stora avstånd", förklarade Brookhaven Lab/SBU-teoretikern Dmitri Kharzeev, som ledde forskning. Einstein kallade det "läskig action på avstånd". Men otaliga experiment har visat att den spöklika effekten är verklig.
För att ta det ett steg längre ville Kharzeev och hans kollegor se om intrassling kvarstår i strålar av sekundära partiklar – kaskader av partiklar som produceras av fragmentering av förment intrasslade partiklar som emitteras från högenergipartikelkollisioner. De utvecklade simuleringar för att leta efter korrelationer mellan partiklar i en jet med de i en jet som produceras rygg mot rygg av samma initiala händelse.
Deras simuleringar beskrivs i en publikation i Physical Review Letters , avslöjade ihållande stark förveckling, åtminstone för korta avstånd.
Resultaten ger en grund för att testa dessa förutsägelser i kärnfysikexperiment vid Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) vid Brookhaven Lab, Large Hadron Collider (LHC) vid Europas CERN-laboratorium och den framtida Electron-Ion Collider (EIC), nu i designstadiet i Brookhaven. Dessutom erbjuder metoden, som använde kvantkod som kördes på en klassisk superdator, insikter i sätt att eftermontera och utnyttja befintliga datortillgångar för att köra kvantberäkningar tills mer praktiska kvantdatorer kommer.
"Om du producerar en kvarg och en antikvark rygg mot rygg i en högenergikollision, förväntar du dig att dessa två partiklar är intrasslade eftersom de producerades i samma interaktion", säger studiens medförfattare Adrien Florio, en Goldhaber Fellow som arbetar med Kharzeev i Brookhaven Labs fysikavdelning. "Men det är inte lätt att upptäcka denna intrassling eftersom vi inte kan observera kvarkar direkt. Kvarkar och antikvarkar måste alltid vara "instängda" – parade eller tredubblade för att bilda sammansatta partiklar som kallas hadroner."
Instängningsproblemet innebär att så fort kvarken och antikvarken kommer fram från kollisionen börjar de genast ge upp sin energi till det omgivande vakuumet. Den energin genererar nya kvarka-antikvark-par – en kaskad, eller jet, av bundna hadroner för varje initial partikel.
Traditionella modeller för jetproduktion ger probabilistiska beskrivningar av partiklarna som utgör strålarna i tre dimensioner. Att leta efter en-till-en-korrelationer mellan en viss partikel i en jet med en partikel i den andra skulle vara enormt utmanande.
"Innan kvantberäkningen visste vi inte ens hur vi skulle ta itu med detta", sa Florio.
Men genom att simulera partiklarna med hjälp av qubits, de grundläggande enheterna för kvantberäkning, kunde forskarna testa om qubits som representerar enskilda punkter i rum och tid var intrasslade. Dessutom använde de en enklare teoretisk ram som reducerade komplexiteten hos jetstrålarna till bara två dimensioner – en rumslig dimension plus tid.
"Eftersom kvarken och antikvarken produceras med mycket höga energier, rör de sig som kulor i kvantvakuumet längs en rak linje," sa Florio. "Vi letar bara efter korrelationer mellan qubits som representerar partiklar längs den raka banan över tiden."
Beräkningarna utformades i samarbete med Kwang Min Yu från Brookhaven Labs Computational Science Initiative (CSI) för att visa om "entanglement-entropin" för en hadron vid en viss punkt i ett jets bana var korrelerad med entanglement-entropin för en hadron vid motsvarande punkt i motsatt jet.
"Entropi är ett mått på osäkerhet", förklarade Kharzeev. "När du har mycket kaos och osäkerhet i ditt liv, har ditt liv en hög mängd entropi." Rena kvanttillstånd har däremot noll intrasslingsentropi. "I sådana tillstånd är allt under kontroll. Du vet exakt vilket tillstånd du befinner dig i, så det är ingen osäkerhet", sa han.
Men om två rena kvanttillstånd - partiklar eller qubits - är intrasslade, "om du gör något i den ena, så kommer något att hända i den andra," förklarade han. "Detta betyder att om jag bara mäter en så har jag inte fullständig information om den eftersom en del av dess tillstånd kontrolleras av ett annat kvanttillstånd som jag inte har tillgång till. Det kommer att finnas en viss osäkerhet om dess egenskaper och beteende." Entropivärdet kommer inte att vara noll.
"Det är som att du är i en nära relation med någon, och vad den här personen än gör påverkar dig och vice versa. Så detta betyder att du inte har fullständig kontroll över vad som händer. Det här är samma sak på kvantnivån." sa Kharzeev.
För att upptäcka dessa förvecklingar letade forskarna efter korrelationer mellan qubits som representerar partiklar på olika avstånd från kollisionspunkten. Kharzeev liknade beräkningarna med att kasta tärningar och mäta sannolikheten för att ett visst nummer på den ena skulle ge samma nummer på den andra.
"Med partiklarna bestämmer du om en partikel som produceras vid en punkt i rymden motsvarar en i samma punkt i rymden på motsatt sida av kollisionen. Om de matchar en gång kan det vara en slump. Men om du kastar "tärna" en miljon gånger genom att studera miljontals händelser, och de visar dig alltid identiska resultat, då vet du att dessa partiklar är korrelerade eller intrasslade", sa han.
Forskarna fann att kvantkorrelationerna mellan simulerade hadroner existerar och är ganska starka. "Men i våra simuleringar ser vi att korrelationerna dör om separationen mellan sekundära partiklar är stor", sa han.
Fynden ger en grund för att testa om intrassling kvarstår och dör ut med ökande avstånd i experiment vid RHIC, LHC och framtida EIC.
Även om forskarna skrev sina simuleringar med hjälp av kvantkod, körde de beräkningarna på en klassisk superdator vid National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory.
"För närvarande kan du få mycket meningsfulla resultat för ett litet antal qubits, som simulerar deras beteende på en klassisk dator," förklarade CSI:s Yu.
Kharzeev och Yu arbetar med medarbetare på NVIDIA, företaget som ursprungligen utvecklade grafikprocessorenheterna (GPU) som används i dagens kraftfullaste superdatorer, för att göra klassiska datorer ännu mer lämpade för att köra kvantsimuleringar.
"Du kan ordna om kvantgrindarna för att optimera dem för att utföra kvantsimuleringar," sa Yu.
Men även dessa optimerade klassiska datorer kommer så småningom att toppa ut när antalet qubits som behövs för simuleringar växer – som det måste för att spåra utvecklingen av jetstrålar under längre tider över större avstånd, som ett exempel.
Många ansträngningar pågår för att förbättra prestanda hos kvantdatorer, särskilt för att förbättra felreduceringen. Kharzeev deltar i detta arbete som en del av Co-design Center for Quantum Advantage (C 2 QA), ett National Quantum Information Science (QIS) forskningscenter som leds av Brookhaven Lab.
"Många människor arbetar för att lösa utmaningarna med att bygga kvantdatorer," sa Kharzeev. "Jag är övertygad om att vi inom en snar framtid kommer att kunna köra ett brett utbud av mer komplexa kvantsimuleringar på dessa nästa generations maskiner, med hjälp av den kunskap vi redan har fått om kvantinteraktioner för att ytterligare utforska beteendet hos kvantpartiklarna som utgör vår värld."
Mer information: Adrien Florio et al, Nonperturbative Dynamics of Jet Production i realtid i Schwinger Model:Quantum Entanglement and Vacuum Modification, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.021902
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av Brookhaven National Laboratory
