IBM’s 104-qubit-processor simulerede partikelkollisioner

Kort fortalt

Roland C. Farrell, Nikita A. Zemlevskiy, Marc Illa og John Preskill brugte IBM’s 104-qubit-processor ibm_marrakesh til en digital realtidssimulering af en kollision i endimensional Ising-feltteori. De forberedte to adskilte bølgepakker af lette partikler, sendte dem mod hinanden og målte den lokale energitæthed, efter at de havde passeret kollisionspunktet. Hardwarekørslerne omfattede op til 5.589 to-qubit-porte for at nå dynamikken efter kollisionen. 7

Det centrale resultat var evidens for uelastisk partikelproduktion: Kollisionen var ikke blot forenelig med to lette partikler på vej ud igen, men med en sluttilstand bestående af én let partikel og en langsommere, tungere excitation. 7

Det er vigtigt at skelne mellem modellen og et fysisk eksperiment i en partikelaccelerator: Chippen fik ikke virkelige partikler til at støde sammen. Den beregnede i stedet kvantedynamikken i en forenklet feltteori, hvor realtidsspredning generelt er vanskelig at håndtere med klassiske metoder.

Sådan blev kollisionen simuleret

Forskerne kodede en diskretiseret Ising-feltteori på processoren og lod systemet udvikle sig i tid med et såkaldt Trotteriseret kvantekredsløb. Forløbet kan deles op i tre trin:

1. Forberedelse af indgående partikler: To lokaliserede bølgepakker af lette partikler blev placeret langt fra hinanden med modsat rettet momentum.
2. Udvikling gennem sammenstødet: Trotter-trin tilnærmede teoriens tidsudvikling, mens bølgepakkerne nærmede sig, overlappede og atter skiltes.
3. Måling af sluttilstanden: Målinger af den lokale energitæthed viste, hvordan energien var fordelt efter kollisionen. 7

Hvorfor forberedelsen af bølgepakker var afgørende

En spredningsberegning er kun så god som den tilstand, man sender ind i den. Forskerne skabte først en skræddersyet tilstand af typen ( |W(k_0)\rangle ), der bestemmer bølgepakkens rumlige form, momentumindhold og kvantetal. Denne starttilstand kan dog rumme uønskede komponenter med flere partikler. Derfor brugte holdet bagefter symmetribevarende variationskredsløb til at sænke energien mod den ønskede énpartikel-egentilstand. 7

Kredsløbene til store Ising-bølgepakker blev først udformet med klassiske simuleringer baseret på matrix-product states, før de blev anvendt som starttilstande på 104-qubit-processoren. 7

W-tilstande, målinger undervejs og feed-forward

Normalt bliver kredsløb til at forberede en bølgepakke dybere, jo flere gittersteder pakken dækker. Holdet tilpassede i stedet teknikker til at forberede W-tilstande ved at bruge målinger undervejs i kredsløbet og klassisk feed-forward:

• Målinger undervejs giver et klassisk måleresultat, før kvanteprogrammet er afsluttet.
• Feed-forward bruger resultatet til at vælge efterfølgende, betingede operationer.
• Sammen muliggjorde det en protokol uden ekstra hjælpequbits, hvor kredsløbsdybden ikke afhænger af bølgepakkens størrelse eller den rumlige dimension – bortset fra afhængigheden af den fysiske korrelationslængde. 7

Forfatterne beskriver skaleringen som en supereksponentiel forbedring i forhold til tidligere metoder, der enten krævede dyr klassisk forbehandling eller kredsløbsdybder, som voksede polynomielt med bølgepakkens størrelse. 27

Energiprofilens skævhed afslørede den tunge partikel

Forsøget identificerede ikke udgående partikler via et traditionelt detektorbillede. I stedet så forskerne på formen af den målte energitæthedsprofil.

Ved et forholdsvis elastisk udfald ville to udgående lette partikler give en mere symmetrisk energifordeling efter kollisionen. I den uelastiske kanal bevæger en tung partikel sig langsommere og skaber derfor en målbar asymmetri i profilen. 7

Asymmetrien blev kvantificeret med skævhed (skewness), et statistisk mål for, om en fordeling har en længere eller tungere hale i den ene side. En skævhed forskellig fra nul, som passede med den forventede bane for den tunge partikel, fungerede som signatur for den uelastiske proces. 7

Signalet peger dermed på mere end en almindelig omfordeling af energi. Det er foreneligt med, at den indgående kinetiske energi blev omdannet til en sluttilstand med en ny, tungere excitation plus en let partikel. 7

Hvorfor resultatet er interessant for partikelfysik

Partikelproduktion er et grundlæggende træk ved højenergetiske kollisioner. På længere sigt vil forskere kunne forudsige, hvordan stærkt koblede kvantefeltteorier skaber partikler og kollektiv adfærd ved kollisioner – spørgsmål, der knytter sig til hadronproduktion og i sidste ende kvantekromodynamik, QCD, teorien for den stærke kernekraft. Generel kvantedynamik i realtid er særligt vanskelig for klassiske beregningsmetoder og er derfor et oplagt langsigtet mål for kvantecomputere. 7

Metoden til at forberede bølgepakker er heller ikke begrænset til Ising-eksemplet. Forfatterne har også konstrueret eller demonstreret den for endimensional skalarfeltteori, Schwinger-modellen og todimensional Ising-feltteori. 27

Hvad forsøget viser – og ikke viser

Resultatet er en væsentlig demonstration af både algoritme og hardware, men rækkevidden skal afgrænses præcist:

• Det modellerede endimensional Ising-feltteori – ikke QCD, realistiske tredimensionale hadronkollisioner eller jets fra partikelacceleratorer. 7
• Det fandt evidens for en uelastisk kanal, ikke en systematisk præcis spredningsforudsigelse på en fejltolerant kvantecomputer. 7
• Beregningen kørte på støjende kvantehardware og benyttede fejlmitigering. Det er grundlæggende noget andet end en fuldt fejlkorrektionbaseret kvanteberegning. 78
• Vejen til realistiske gauge-teorier er fortsat lang: Kodning i højere dimensioner, lange realtidsudviklinger, skalerbar tilstandsforberedelse og præcis udtrækning af observabler med mange partikler kræver langt mere kapable kvantesystemer.

Den umiddelbare præstation er altså mere afgrænset, men konkret: En kvanteprocessor fulgte en forberedt topartikeltilstand gennem en kollision og leverede et målbart signal, der stemmer med en tungere udgående partikel. Det gør skalerbar forberedelse af spredningstilstande og studier af partikelproduktion i realtid til mere troværdige mål for kommende kvantehardware. 7