Jak procesor IBM se 104 qubity simuloval vznik těžší částice při srážce

Nejde o srážku uvnitř čipu

Roland C. Farrell, Nikita A. Zemlevskiy, Marc Illa a John Preskill použili 104qubitový procesor IBM ibm_marrakesh k digitální simulaci srážky v jednodimenzionální Isingově teorii pole. Neodpálili tedy skutečné částice v křemíkovém čipu. Procesor reprezentoval zjednodušený model kvantového pole na mřížce a sledoval jeho vývoj v reálném čase.

Vědci připravili dva od sebe vzdálené vlnové pakety lehkých částic, které se pohybovaly proti sobě. Poté simulovali jejich přiblížení, překrytí a rozlet po srážce. K dosažení dynamiky po srážce použili až 5 589 dvouqubitových hradel. 7

Hlavním výsledkem jsou důkazy pro neelastickou produkci částic: výsledek odpovídal stavu s jednou lehkou částicí a jednou pomalejší, těžší excitací, nikoli jen dvěma odletujícími lehkými částicemi. 7

Tři kroky simulované srážky

Výpočet probíhal ve třech základních fázích:

1. Příprava přilétajících částic: dva lokalizované vlnové pakety lehkých částic byly umístěny daleko od sebe a dostaly opačné hybnosti.
2. Časový vývoj: trotterizovaný kvantový obvod po krocích aproximoval vývoj Isingovy teorie pole, zatímco se pakety sbližovaly a srážely.
3. Měření výsledku: tým měřil lokální hustotu energie, tedy jak se energie rozložila v systému poté, co se částice minuly. 7

Právě simulace kvantové dynamiky v reálném čase je obecně problém, který se na klasických počítačích obtížně řeší. Kvantový procesor má ambici takovou mnohačásticovou dynamiku reprezentovat přímo.

Příprava vlnových paketů byla zásadní

Aby měla srážka fyzikální význam, musejí být dobře připraveny už její počáteční stavy. Autoři nejprve vytvořili stav podobný ( |W(k_0)\rangle ), který určuje prostorový tvar paketu, jeho hybnost i kvantová čísla. Tento počáteční stav však může obsahovat i nežádoucí vícečásticové složky. Pomocí variačních obvodů zachovávajících symetrii proto jeho energii upravili směrem k cílovému vlastnímu stavu jedné částice. 7

Obvody pro rozsáhlou mřížku Isingovy teorie byly před nasazením na 104qubitový procesor navrženy pomocí simulací s maticovými součinovými stavy. 7

Proč pomohly W-stavy a dynamické obvody

U běžných postupů roste hloubka obvodu s tím, kolik míst mřížky vlnový paket zabírá. Tým místo toho adaptoval postupy pro přípravu W-stavů, které využívají dvě schopnosti dynamických kvantových obvodů:

• měření během obvodu: výsledek se přečte ještě před skončením kvantového programu;
• klasickou zpětnou vazbu: podle naměřeného výsledku se zvolí následující podmíněná operace.

Výsledkem je příprava bez pomocných qubitů, jejíž hloubka nezávisí na velikosti vlnového paketu ani na prostorové dimenzi; výjimkou zůstává závislost na fyzikální korelační délce. Autoři tento posun popisují jako superexponenciální zlepšení oproti dřívějším metodám s nákladným klasickým předzpracováním nebo s hloubkou obvodů rostoucí polynomiálně s velikostí paketu. 27

Jak šikmost hustoty energie prozradila těžší částici

Výsledné částice nebyly rozpoznány obrazem z detektoru, jaký známe z urychlovačových experimentů. Rozhodující byl tvar profilu hustoty energie po srážce.

Při převážně elastické srážce by dvě lehké odletující částice měly vytvořit relativně symetrické rozložení energie. Naproti tomu těžší částice se pohybuje pomaleji, a proto vytváří měřitelnou nesymetrii tohoto profilu. 7

Tým ji vyjádřil pomocí šikmosti (skewness) — statistické veličiny, která popisuje, zda má rozdělení výraznější „ocas“ na jedné straně. Nenulová šikmost v souladu s očekávanou trajektorií těžší částice sloužila jako signatura neelastického kanálu. 7

Tento znak není jen důkazem, že se energie po srážce přerozdělila. Je konzistentní s přeměnou části pohybové energie dvou lehkých přilétajících částic na konečný stav obsahující lehkou a novou těžší excitaci. 7

Proč je to důležité pro budoucí simulace srážek

Vznik nových částic při srážkách je jedním ze základních jevů fyziky vysokých energií. Dlouhodobým cílem je předvídat produkci částic a kolektivní chování v silně vázaných kvantových teoriích pole — včetně procesů souvisejících se vznikem hadronů a v konečném důsledku s kvantovou chromodynamikou (QCD), teorií silné interakce. Obecná dynamika v reálném čase je pro klasické výpočty obzvlášť náročná, takže jde o přirozený cíl budoucích kvantových počítačů. 7

Přípravná metoda není omezena jen na ukázku v Isingově teorii. Autoři ji zkonstruovali nebo předvedli také pro jednorozměrnou skalární teorii pole, Schwingerův model a dvourozměrnou Isingovu teorii pole. 27

Co experiment zatím nedokazuje

Výsledek je důležitou ukázkou algoritmu i hardwaru, jeho hranice jsou ale podstatné:

• Modeloval jednorozměrnou Isingovu teorii pole, nikoli QCD, realistické trojrozměrné hadronové srážky ani výtrysky částic v urychlovači. 7
• Přinesl důkazy pro neelastický kanál, nikoli systematicky přesnou předpověď srážek na úrovni plně chybově korigovaného výpočtu. 7
• Pracoval s hlučným kvantovým hardwarem a technikami zmírňování chyb, nikoli s úplnou kvantovou korekcí chyb. 78
• Cesta k realistickým kalibračním teoriím ve vyšších dimenzích bude vyžadovat výrazně výkonnější systémy, dlouhé simulace v reálném čase, škálovatelnou přípravu stavů a přesné získávání mnohačásticových pozorovatelných.

Bezprostřední přínos je proto konkrétní, ale omezený: kvantový procesor provedl připravený dvoučásticový stav srážkou a naměřil signaturu slučitelnou se vznikem těžší odletující částice. Tím se škálovatelná příprava rozptylových stavů i studium produkce částic v reálném čase stávají věrohodnějšími cíli další generace kvantového hardwaru. 7