כך דימה מעבד קוונטי של IBM יצירת חלקיקים בהתנגשות

מה בדיוק הודגם בניסוי

רולנד סי. פארל, ניקיטה א. זמלבסקי, מארק אילה וג'ון פרסקיל השתמשו במעבד הקוונטי ibm_marrakesh של IBM, בעל 104 קיוביטים, כדי לבצע סימולציה דיגיטלית בזמן אמת של התנגשות בתורת השדות של איזינג בממד אחד. הם הכינו שתי חבילות גל נפרדות של חלקיקים קלים, שנעו זו לעבר זו, פיתחו את המערכת לאורך ההתנגשות, ואז מדדו את צפיפות האנרגיה המקומית לאחר שהחלקיקים חלפו זה על פני זה. כדי להגיע לדינמיקה שאחרי ההתנגשות הופעלו עד 5,589 שערים דו-קיוביטיים. 7

התוצאה המרכזית הייתה עדות ליצירת חלקיקים לא-אלסטית: במקום ששני חלקיקים קלים בלבד ייצאו מן ההתנגשות, המדידות תאמו מצב סופי הכולל חלקיק קל אחד ועירור כבד יותר, הנע לאט יותר. 7

חשוב לדייק: לא התנגשו בתוך השבב חלקיקים פיזיים ממשיים. המעבד ייצג באופן קוונטי מודל מתמטי של תורת שדות, והדגים כיצד אפשר לעקוב ישירות אחר דינמיקה קוונטית מרובת-גופים — משימה שחישובה בזמן אמת קשה בדרך כלל במחשבים קלאסיים.

כך נבנתה ההתנגשות בסימולציה

הצוות קידד גרסה בדידה של תורת שדות איזינג על המעבד, ומימש את ההתפתחות בזמן באמצעות מעגל קוונטי מסוג טרוטריזציה — קירוב של ההתפתחות הרציפה לסדרת צעדים קצרים. התהליך נחלק לשלושה שלבים:

1. הכנת החלקיקים הנכנסים: שתי חבילות גל ממוקמות של חלקיקים קלים אותחלו במרחק זו מזו, עם תנע בכיוונים מנוגדים.
2. התפתחות דרך ההתנגשות: צעדי הטרוטר קירבו את התפתחות המודל בזמן, כשהחבילות התקרבו, חפפו והתרחקו.
3. מדידת המצב היוצא: מדידות של צפיפות האנרגיה המקומית עקבו אחר פיזור האנרגיה לאחר ההתנגשות. 7

האתגר הגדול: להכין חבילות גל נכונות

תוצאת פיזור אמינה תלויה במצב ההתחלתי. החוקרים יצרו תחילה מצב דמוי ( |W(k_0)\rangle ), שנועד לקבוע את המעטפת המרחבית של חבילת הגל, את תוכן התנע שלה ואת המספרים הקוונטיים שלה. מאחר שמצב התחלתי כזה עלול להכיל רכיבים לא רצויים של כמה חלקיקים, הם הפעילו לאחר מכן מעגלים וריאציוניים שומרי-סימטריה, כדי להנמיך את האנרגיה לעבר מצב עצמי של חלקיק יחיד. 7

המעגלים לחבילות הגל ברשת איזינג גדולה תוכננו תחילה בסימולציות קלאסיות מסוג מטריצת-מכפלה (MPS), ורק אחר כך שימשו כמצבי התחלה בניסוי על מעבד 104 הקיוביטים. 7

למה שיטת מצבי W חשובה

בשיטות מקובלות, עומק המעגל עשוי לגדול ככל שחבילת הגל מתפרסת על יותר אתרי רשת. כאן הותאמה שיטה להכנת מצבי W, המבוססת על מדידה באמצע המעגל ועל משוב קלאסי:

• מדידה באמצע המעגל מפיקה תוצאה קלאסית לפני שהחישוב הקוונטי הסתיים.
• במשוב קלאסי משתמשים בתוצאה זו כדי לבחור פעולות מותנות בהמשך המעגל.
• השילוב מאפשר פרוטוקול ללא קיוביטי עזר, שעומק המעגל שלו אינו תלוי בגודל חבילת הגל או בממד המרחבי שלה — למעט תלות באורך המתאם הפיזיקלי. 7

המחברים מתארים זאת כשיפור סופר-אקספוננציאלי ביחס לגישות קודמות, שנדרשו לעיבוד מקדים קלאסי יקר או למעגלים שעומקם גדל פולינומית עם גודל חבילת הגל. 27

איך אי-סימטריה בצפיפות האנרגיה חשפה חלקיק כבד

הניסוי לא זיהה את החלקיקים היוצאים באמצעות תמונה ישירה של גלאי. במקום זאת, הוא בחן את צורת הפרופיל של צפיפות האנרגיה שנמדדה לאחר ההתנגשות.

בפיזור אלסטי יחסית, שני חלקיקים קלים שיוצאים מן ההתנגשות אמורים ליצור התפלגות אנרגיה סימטרית יותר. בערוץ לא-אלסטי, חלקיק כבד נע לאט יותר ולכן יוצר אי-סימטריה מדידה בפרופיל שאחרי ההתנגשות. 7

החוקרים כימתו את אי-הסימטריה באמצעות skewness — מדד סטטיסטי המתאר אם להתפלגות יש זנב ארוך או כבד יותר באחד מצדדיה. ערך שאינו אפס, שהתאים למסלול הצפוי של החלקיק הכבד, שימש חתימה לתהליך הלא-אלסטי. 7

לכן הממצא אינו רק עדות לכך שהאנרגיה התחלקה מחדש. הוא עולה בקנה אחד עם המרה של האנרגיה הקינטית של החלקיקים הקלים הנכנסים למצב סופי הכולל עירור חדש וכבד יותר, לצד חלקיק קל. 7

הקשר העתידי ל-QCD ולפיזיקה של התנגשויות

יצירת חלקיקים היא תופעה יסודית בהתנגשויות באנרגיות גבוהות. בטווח הארוך, המטרה היא לחזות כיצד התנגשויות בתורות שדות קוונטיות עם צימוד חזק יוצרות חלקיקים והתנהגות קולקטיבית — בעיות הקשורות ליצירת הדרונים, ובסופו של דבר לכרומודינמיקה קוונטית (QCD), התאוריה של האינטראקציה החזקה. דינמיקה כללית בזמן אמת היא אתגר מיוחד לשיטות קלאסיות, ולכן היא יעד טבעי למחשבים קוונטיים עתידיים. 7

שיטת הכנת חבילות הגל אינה מוגבלת להדגמת איזינג. המחברים גם בנו או הדגימו אותה עבור תורת שדות סקלרית חד-ממדית, מודל שווינגר ותורת שדות איזינג דו-ממדית. 27

מה ההישג מוכיח — ומה עדיין לא

זהו הישג אלגוריתמי וניסויי חשוב, אך היקפו מוגדר היטב:

• הסימולציה עסקה בתורת שדות איזינג חד-ממדית, ולא ב-QCD, בהתנגשויות הדרונים מציאותיות בשלושה ממדים או בסילוני חלקיקים ממאיץ. 7
• היא מצאה עדות לערוץ פיזור לא-אלסטי, ולא סיפקה חיזוי פיזור מדויק באופן שיטתי על מחשב קוונטי סובל-תקלות. 7
• הניסוי התבסס על חומרה קוונטית רועשת ועל טכניקות להפחתת שגיאות, ולא על תיקון שגיאות קוונטי מלא. 78
• המעבר לתיאוריות כיול מציאותיות ובעלות ממדים גבוהים יותר עדיין מחייב קידודים מורכבים יותר, זמני התפתחות ארוכים, הכנת מצבים בקנה מידה גדול וחילוץ מדויק של גדלים מרובי-חלקיקים.

ההישג המיידי צנוע יותר, אך מוחשי: מעבד קוונטי עקב אחר מצב מוכן של שני חלקיקים לאורך התנגשות, והפיק חתימה מדידה התואמת חלקיק כבד במצב היוצא. בכך הוא מחזק את הסיכוי שסימולציות של פיזור ויצירת חלקיקים בזמן אמת יהיו בעתיד יעד מעשי עבור חומרה קוונטית מתקדמת. 7