IBM simuleert een deeltjesbotsing met 104 qubits

Geen echte botsing ín de chip

Roland C. Farrell, Nikita A. Zemlevskiy, Marc Illa en John Preskill gebruikten IBM’s 104-qubitprocessor ibm_marrakesh voor een digitale simulatie van een botsing in de eendimensionale Ising-veldtheorie. Zij brachten twee afzonderlijke lichte deeltjes als golfpakketjes op elkaar af, lieten het systeem in de tijd evolueren en maten daarna plaatselijk de energiedichtheid. Om de dynamiek ná de botsing te bereiken, waren maximaal 5.589 twee-qubitpoorten nodig. 7

Dit was geen fysieke deeltjesbotsing in een quantumchip, maar een berekening van een vereenvoudigde quantumveldtheorie. Juist zulke realtime-dynamica zijn in het algemeen lastig klassiek door te rekenen.

De centrale uitkomst: de metingen leverden aanwijzingen voor inelastische deeltjesproductie. In plaats van twee uitgaande lichte deeltjes was het resultaat verenigbaar met een eindtoestand van één licht deeltje en een trager, zwaarder deeltje. 7

Zo verliep de simulatie

De Ising-veldtheorie werd op een rooster gediscretiseerd en vervolgens als een quantumcircuit uitgevoerd. De tijdsevolutie werd benaderd met Trotter-stappen: een standaardmethode waarbij een ingewikkelde evolutie wordt opgesplitst in veel korte, uitvoerbare circuitstappen.

1. De inkomende toestand voorbereiden. Twee gelokaliseerde lichte golfpakketjes werden ver uit elkaar gezet, met tegengestelde impuls.
2. De botsing doorrekenen. Trotter-stappen beschreven hoe de pakketjes naar elkaar toe bewogen, overlapten en vervolgens weer uiteen gingen.
3. Het resultaat meten. Metingen van de lokale energiedichtheid volgden waar de energie zich na de botsing bevond. 7

De moeilijkste stap: goede inkomende deeltjes maken

Voor een geloofwaardige verstrooiingssimulatie moeten de inkomende toestanden nauwkeurig zijn voorbereid. Eerst construeerde het team een op ( |W(k_0)\rangle ) lijkende toestand, die de ruimtelijke vorm, impulsinhoud en quantumgetallen van een golfpakketje vastlegt. Zo’n beginstaat kan echter ongewenste componenten met meerdere deeltjes bevatten.

Daarom gebruikten de onderzoekers vervolgens variatiecircuits die de symmetrie behouden, om de energie van de toestand te verlagen in de richting van de gewenste eendeeltjes-eigentoestand. De circuits voor grote Ising-roosters werden eerst ontworpen met klassieke matrix-product-state-simulaties en daarna als begintoestand op de 104-qubitprocessor ingezet. 7

Waarom W-toestanden hierbij helpen

Bij gebruikelijke methoden wordt het circuit dieper naarmate een golfpakketje meer roosterpunten beslaat. Het team bouwde voort op technieken voor het maken van W-toestanden, met twee belangrijke ingrediënten:

• Metingen tijdens het circuit: de quantumcomputer meet al voordat het programma volledig is afgelopen.
• Klassieke terugkoppeling: de uitkomst van die meting bepaalt welke voorwaardelijke bewerkingen later volgen.

Samen maken die technieken een protocol zonder extra hulpqubits mogelijk. De circuitdiepte hoeft daarbij niet mee te groeien met de grootte van het golfpakketje of met het aantal ruimtelijke dimensies, behalve via de fysieke correlatielengte. De auteurs omschrijven dit als een superexponentiële verbetering ten opzichte van eerdere aanpakken met dure klassieke voorbewerking of een circuitdiepte die polynomiaal groeit met de pakketgrootte. 27

Scheefheid in de energiedichtheid als spoor van een zwaar deeltje

De onderzoekers maakten geen detectorfoto zoals bij een deeltjesversneller. In plaats daarvan keken zij naar de vorm van het energiedichtheidsprofiel na de botsing.

Bij een grotendeels elastische botsing — waarbij er geen nieuw deeltje ontstaat — zouden twee lichte uitgaande deeltjes een relatief symmetrische energieverdeling geven. In het inelastische scenario beweegt een zwaar deeltje langzamer. Dat zorgt voor een meetbare asymmetrie in het profiel. 7

Die asymmetrie werd uitgedrukt als scheefheid (skewness): een statistische maat voor de vraag of een verdeling aan één kant een langere of zwaardere staart heeft. Een niet-nul scheefheid die overeenkwam met het verwachte traject van een zwaar deeltje gold als het signaal van het inelastische proces. 7

Daarmee ging het niet alleen om een herverdeling van energie. Het waargenomen patroon is verenigbaar met de omzetting van de kinetische energie van de inkomende lichte deeltjes in een eindtoestand met een nieuw, zwaar deeltje plus een licht deeltje. 7

Waarom dit relevant is voor QCD

Deeltjesproductie is een kernverschijnsel bij botsingen met hoge energie. Op langere termijn willen natuurkundigen kunnen voorspellen hoe sterk gekoppelde quantumveldtheorieën nieuwe deeltjes en collectief gedrag voortbrengen. Dat raakt aan hadronproductie en uiteindelijk aan quantumchromodynamica (QCD), de theorie van de sterke kernkracht.

Algemene realtime-quantumdynamica is voor klassieke rekenmethoden bijzonder moeilijk. Quantumcomputers zouden daar op termijn een voordeel kunnen bieden. De techniek voor golfpakketjes is bovendien niet beperkt tot deze Ising-demonstratie: de auteurs construeerden of demonstreerden haar ook voor eendimensionale scalaire veldtheorie, het Schwinger-model en tweedimensionale Ising-veldtheorie. 27

Wat dit resultaat nog níet betekent

De demonstratie is belangrijk, maar de reikwijdte is beperkt:

• Het model betrof eendimensionale Ising-veldtheorie, niet QCD, realistische driedimensionale hadronbotsingen of jets in een deeltjesversneller. 7
• Het werk vond aanwijzingen voor een inelastisch kanaal, geen systematisch nauwkeurige verstrooiingsvoorspelling op een fouttolerante quantumcomputer. 7
• De processor was ruisgevoelig en de analyse gebruikte foutmitigatie. Dat is iets wezenlijk anders dan volledige quantumfoutcorrectie. 78
• Voor realistische ijktheorieën zijn nog veel grotere en nauwkeurigere systemen nodig, plus betere coderingen voor hogere dimensies, langere realtime-evolutie en preciezere methoden om processen met veel einddeeltjes uit te lezen.

De directe prestatie is daarom bescheiden maar concreet: een quantumprocessor volgde een zorgvuldig voorbereide tweedeltjestoestand door een botsing en gaf een meetbaar signaal dat past bij een zwaarder uitgaand deeltje. Daarmee komt schaalbare voorbereiding van verstrooiingstoestanden — en onderzoek naar realtime-deeltjesproductie — een stap dichterbij. 7