IBM:n 104 kubitin kvanttiprosessori simuloi hiukkastörmäystä

Mitä IBM:n kvanttipiirillä tehtiin?

Roland C. Farrell, Nikita A. Zemlevskiy, Marc Illa ja John Preskill käyttivät IBM:n 104 kubitin ibm_marrakesh-prosessoria digitaaliseen reaaliaikasimulaatioon. Kohteena oli yksiulotteinen Isingin kenttäteoria: yksinkertaistettu kvanttikenttäteoria, jossa voidaan tutkia hiukkasten sirontaa hallitussa mallissa.

Tutkijat valmistivat kaksi toisistaan erillään olevaa kevyen hiukkasen aaltopakettia, joilla oli vastakkaiset liikemäärät. Sen jälkeen kvanttipiiri eteni törmäyksen läpi ja törmäyksen jälkeiseen aikaan asti. Pisimmissä ajoissa käytettiin jopa 5 589 kahden kubitin porttia. 7

Keskeinen havainto oli näyttö joustamattomasta hiukkastuotannosta: törmäyksen lopputila ei sopinut pelkästään kahteen ulosmenevään kevyeen hiukkaseen, vaan oli yhden kevyt- ja yhden raskaamman virityksen sisältävän tilan mukainen. 7

Kyse ei ollut fyysisten hiukkasten törmäyttämisestä sirulla. Kvanttiprosessori toteutti kenttäteorian diskretoidun mallin aikakehityksen. Tavoitteena on selvittää, voiko kvanttilaitteisto tulevaisuudessa käsitellä reaaliaikaisia monihiukkasilmiöitä, joiden laskeminen perinteisillä menetelmillä on yleisesti vaikeaa.

Törmäys eteni kolmessa vaiheessa

Simulaatiossa Isingin kenttäteoria koodattiin kubiteille, ja sen aikakehitystä likimääräistettiin Trotteroidulla kvanttipiirillä. Käytännön kulku oli seuraava:

1. Alkutilan valmistus: kaksi paikallista kevyen hiukkasen aaltopakettia asetettiin kauas toisistaan ja liikkumaan kohti toisiaan.
2. Aikakehitys: Trotter-askelilla mallinnettiin pakettien lähestyminen, päällekkäisyys ja erkaantuminen törmäyksen jälkeen.
3. Lopputilan mittaus: paikallista energiatiheyttä mitattiin, jotta nähtiin, miten energia jakautui törmäyksen jälkeen. 7

Vaikein osa ei ollut vain aikakehityksen ajaminen, vaan luotettavan saapuvan kahden hiukkasen tilan rakentaminen. Jos alkutilassa on vääriä monihiukkaskomponentteja, myös törmäyksestä tehtävät päätelmät voivat vääristyä.

W-tila auttoi rakentamaan aaltopaketit tehokkaammin

Ensin tutkijat rakensivat räätälöidyn ( |W(k_0)\rangle )-tyyppisen tilan. Sen avulla säädetään aaltopaketin paikkariippuvaa muotoa, liikemääräsisältöä ja kvanttilukuja. Tällaisessa aloitustilassa voi kuitenkin olla epätoivottuja monihiukkaskomponentteja, joten sitä paranneltiin symmetriat säilyttävillä variaatiopiireillä kohti haluttua yhden hiukkasen ominaisenergia-tilaa. 7

Suurta hilaa varten Isingin aaltopakettipiirit suunniteltiin ensin klassisilla matriisitulon tilan (MPS) simulaatioilla ja vasta sitten otettiin käyttöön 104 kubitin laitteella. 7

Tärkeä menetelmä perustui W-tilojen valmistamiseen kesken kvanttipiirin tehtävillä mittauksilla ja klassisella takaisinkytkennällä:

• Kesken piirin tehtävä mittaus tuottaa klassisen mittaustuloksen ennen ohjelman päättymistä.
• Klassinen takaisinkytkentä käyttää tulosta myöhempien, ehdollisten kvanttioperaatioiden valintaan.
• Näin aaltopaketin valmistus voidaan tehdä ilman apukubitteja siten, ettei piirin syvyys kasva aaltopaketin koon tai avaruusulottuvuuksien määrän mukana; poikkeuksena on riippuvuus mallin fyysisestä korrelaatiopituudesta. 7

Kirjoittajien mukaan skaalaus on supereksponentiaalinen parannus aiempiin ratkaisuihin verrattuna: vanhemmat menetelmät vaativat joko raskasta klassista esilaskentaa tai piirejä, joiden syvyys kasvoi polynomisesti aaltopaketin koon mukana. 27

Raskas hiukkanen tunnistettiin energiatiheyden vinoudesta

Ulos tulevia hiukkasia ei tunnistettu tavanomaisen hiukkasilmaisimen kuvasta. Sen sijaan tutkijat tarkastelivat törmäyksen jälkeisen paikallisen energiatiheysjakauman muotoa.

Lähes elastisessa törmäyksessä kahden kevyen hiukkasen odotetaan tuottavan verrattain symmetrisen energiajakauman. Joustamattomassa kanavassa raskaampi hiukkanen liikkuu hitaammin. Tämä jättää törmäyksen jälkeiseen energiatiheysprofiiliin havaittavan epäsymmetrian. 7

Epäsymmetriaa mitattiin vinoudella (skewness), joka kertoo, painottuuko jakauman häntä toiselle puolelle. Nollasta poikkeava vinous, joka vastasi odotettua raskaan hiukkasen rataa, toimi signaalina joustamattomasta prosessista. 7

Havainto ei siis tarkoita vain sitä, että energia olisi jakautunut uudelleen. Se on yhdenmukainen tulkinnan kanssa, jossa saapuvien kevyiden hiukkasten liike-energia muuttui lopputilaksi, jossa on kevyt hiukkanen ja uusi, raskaampi viritys. 7

Miksi tällä on merkitystä QCD:n kannalta?

Hiukkastuotanto on suurienergisten törmäysten perusilmiö. Pitkän aikavälin tavoitteena on ennustaa, miten vahvasti vuorovaikuttavissa kvanttikenttäteorioissa törmäykset synnyttävät hiukkasia ja kollektiivista käyttäytymistä. Tämä liittyy hadronien tuotantoon ja lopulta kvanttikromodynamiikkaan eli QCD:hen, joka kuvaa kvarkkien ja gluonien vahvaa vuorovaikutusta.

Juuri yleinen reaaliaikainen kvanttidynamiikka on klassisille laskentamenetelmille erityisen hankalaa. Siksi se on keskeinen mahdollinen tulevien kvanttitietokoneiden käyttökohde. 7

Aaltopakettien valmistusmenetelmää ei kehitetty vain tähän Ising-esimerkkiin. Tutkijat rakensivat tai esittelivät sen myös yksiulotteista skalaarikenttäteoriaa, Schwingerin mallia ja kaksiulotteista Isingin kenttäteoriaa varten. 27

Mitä tulos osoittaa – ja mitä ei

Koe on merkittävä algoritminen ja laitteistollinen demonstraatio, mutta sen rajat ovat selvät:

• Malli oli yksiulotteinen Isingin kenttäteoria, ei QCD, todellinen kolmiulotteinen hadronitörmäys eikä hiukkaskiihdyttimen suihku. 7
• Tuloksena saatiin näyttö joustamattomasta kanavasta, ei systemaattisesti tarkka ja virheenkorjattu sirontaennuste. 7
• Laskenta tehtiin kohinaisella laitteistolla ja hyödynsi virheiden lieventämistä. Se ei siten ole sama asia kuin täysin virheenkorjattu, vikasietoinen kvanttilaskenta. 78
• Siirtyminen realistisiin, korkeamman ulottuvuuden mittateorioihin edellyttää paljon suorituskykyisempiä kvanttikoneita, pidempiä luotettavia reaaliaikakehityksiä, skaalautuvia tilanvalmistusmenetelmiä sekä tarkempaa monihiukkasobservabelien erottamista.

Välitön saavutus on silti konkreettinen: kvanttiprosessori seurasi valmistettua kahden hiukkasen tilaa törmäyksen läpi ja tuotti mitattavan merkin, joka sopii raskaamman ulostulevan hiukkasen syntyyn. Se tekee skaalautuvasta sirontatilojen valmistuksesta ja reaaliaikaisesta hiukkastuotannon tutkimuksesta uskottavampia tulevien kvanttilaitteiden tavoitteita. 7