IBM simulerte partikkelproduksjon på en 104-qubits kvanteprosessor

Kort fortalt: En kollisjon i en modell, ikke inne i brikken

Roland C. Farrell, Nikita A. Zemlevskiy, Marc Illa og John Preskill brukte IBMs 104-qubits prosessor ibm_marrakesh til en digital sanntidssimulering av en kollisjon i én-dimensjonal Ising-feltteori. De forberedte to adskilte bølgepakker som representerte lette partikler, lot dem bevege seg mot hverandre og målte den lokale energitettheten etter at kollisjonen var over. Maskinvarekjøringene brukte opptil 5 589 to-qubits-porter for å nå dynamikken etter sammenstøtet. 7

Hovedobservasjonen var tegn til inelastisk partikkelproduksjon: I stedet for bare to utgående lette partikler var dataene forenlige med en slutt-tilstand som inneholdt én lett partikkel og en langsommere, tyngre eksitasjon. 7

Dette var ikke en fysisk partikkelkollisjon inne i prosessoren. Kvanteprosessoren beregnet utviklingen i en forenklet kvantefeltteori, der qubitene koder for feltets tilstand på et diskret romlig gitter.

Slik ble kollisjonen simulert

Forskerne kodet en diskretisert Ising-feltteori på prosessoren og implementerte sanntidsutviklingen med en trotterisert kvantekrets. I praksis besto beregningen av tre trinn:

1. Forberede innkommende partikler: To lokaliserte bølgepakker for lette partikler ble plassert langt fra hverandre med motsatt bevegelsesmengde.
2. Utvikle systemet gjennom kollisjonen: Trotter-steg ga en tilnærming til teoriens tidsutvikling mens pakkene nærmet seg, overlappet og skilte lag.
3. Måle slutt-tilstanden: Målinger av lokal energitetthet fulgte hvordan energien var fordelt etter kollisjonen. 7

Verdien av et slikt forsøk ligger i at kvanteprosessoren direkte representerer kvantedynamikken i et mangelegemesystem. Slike sanntidsprosesser er generelt vanskelige å regne ut med klassiske metoder.

Å lage gode bølgepakker var den avgjørende utfordringen

En spredningssimulering er bare så god som starttilstanden. Forskerne konstruerte først en skreddersydd tilstand av typen ( |W(k_0)\rangle ), som bestemmer bølgepakkens romlige form, innhold av bevegelsesmengde og kvantetall. En slik starttilstand kan imidlertid inneholde uønskede flerpartikkelkomponenter.

Deretter brukte teamet symmetribevarende variasjonskretser for å senke energien mot den ønskede egen-tilstanden med én partikkel. Kretsene for store Ising-gitter ble først utformet ved hjelp av simuleringer med matriseprodukt-tilstander (MPS), før de ble brukt som starttilstander på 104-qubits prosessoren. 7

Hvorfor W-tilstandsmetoden er viktig

Vanlige metoder for å forberede en bølgepakke kan kreve stadig dypere kretser når pakken dekker flere gitterpunkter. Forskerne tilpasset i stedet teknikker for å lage W-tilstander ved hjelp av målinger underveis i kretsen og klassisk tilbakekobling:

• Målinger underveis gir klassiske måleresultater før kvanteprogrammet er ferdig.
• Klassisk tilbakekobling bruker resultatene til å velge senere, betingede operasjoner.
• Sammen muliggjør dette en protokoll uten hjelpequbiter, der kretsdybden ikke avhenger av bølgepakkens størrelse eller romlige dimensjon, med unntak for avhengighet av den fysiske korrelasjonslengden. 7

Forfatterne beskriver dette som en supereksponentiell forbedring sammenlignet med tidligere metoder som enten krevde kostbar klassisk forbehandling eller kretser med dybde som vokser polynomisk med bølgepakkens størrelse. 27

Skjev energifordeling ga tegn til en tung partikkel

Forsøket identifiserte ikke utgående partikler med et vanlig detektorbilde. I stedet brukte forskerne formen på den målte energitetthetsprofilen.

Ved et forholdsvis elastisk utfall ville to lette utgående partikler forventes å gi en mer symmetrisk energifordeling etter kollisjonen. I den inelastiske kanalen går den tunge partikkelen langsommere. Det skaper en målbar asymmetri i energiprofilen etter kollisjonen. 7

Asymmetrien ble kvantifisert med skjevhet (skewness), et statistisk mål på om en fordeling har en lengre eller tyngre hale på den ene siden. En ikke-null skjevhet som stemte med den forventede banen til den tunge partikkelen, fungerte som signatur på den inelastiske prosessen. 7

Det betyr at signalet peker mot mer enn en ren omfordeling av energi. Det er forenlig med at den kinetiske energien til de innkommende lette partiklene ble omdannet til en slutt-tilstand med en ny, tyngre eksitasjon og én lett partikkel. 7

Hvorfor dette er relevant for kvantefeltteori og QCD

Partikkelproduksjon er et sentralt trekk ved høyenergikollisjoner. På lengre sikt vil forskere kunne forutsi hvordan kollisjoner i sterkt koblede kvantefeltteorier skaper nye partikler og kollektiv oppførsel. Dette er spørsmål knyttet til hadronproduksjon og, til slutt, kvantekromodynamikk (QCD), teorien for den sterke kjernekraften.

Generell kvantedynamikk i sanntid er særlig krevende for klassiske beregningsmetoder. Derfor er den et naturlig mål for framtidige kvantedatamaskiner. 7

Metoden for å forberede bølgepakker er heller ikke begrenset til Ising-demonstrasjonen. Forfatterne har også konstruert eller demonstrert den for én-dimensjonal skalar feltteori, Schwinger-modellen og to-dimensjonal Ising-feltteori. 27

Hva resultatet viser – og ikke viser

Dette er en viktig algoritmisk og maskinvaremessig demonstrasjon, men rekkevidden må avgrenses presist:

• Den modellerte én-dimensjonal Ising-feltteori, ikke QCD, realistiske tredimensjonale hadronkollisjoner eller jetter fra partikkelakseleratorer. 7
• Den fant tegn til en inelastisk kanal, ikke en systematisk presis spredningsberegning på en feilkorrigert kvantedatamaskin. 7
• Forsøket brukte støyende kvantemaskinvare og teknikker for feilmitigering. Det er grunnleggende annerledes enn en fullt feilkorrigert kvanteberegning. 78
• Realistiske gaugeteorier i høyere dimensjoner er fortsatt vanskelige. Det trengs langt mer kapable systemer for koding i høyere dimensjoner, lange sanntidsutviklinger, skalerbar tilstandsforberedelse og presis utlesing av observabler for mange partikler.

Den umiddelbare prestasjonen er dermed smalere, men konkret: En kvanteprosessor fulgte en forberedt to-partikkeltilstand gjennom en kollisjon og ga en målbar signatur som er forenlig med en tyngre utgående partikkel. Det gjør skalerbar forberedelse av spredningstilstander og studier av partikkelproduksjon i sanntid til mer troverdige mål for framtidig kvantemaskinvare. 7