Как на 104-кубитном процессоре IBM смоделировали рождение частицы при столкновении

Исследователи Роланд Фаррелл, Никита Землевский, Марк Илла и Джон Прескилл выполнили цифровое моделирование рассеяния в реальном времени в одномерной теории поля Изинга на 104 кубитах процессора IBM ibm_marrakesh. Схема прослеживала систему до столкновения, во время него и после него; использовалось до 45 тро́ттеровских шагов и 5 589 двухкубитных вентилей. Главный результат — свидетельство неупругого рождения частицы: кинетическая энергия двух налетающих лёгких частиц могла перейти в состояние с одной лёгкой и одной более тяжёлой частицей. Это не измерение с точностью физики коллайдеров. 7

Как было устроено столкновение

Сначала на разных участках одномерной решётки подготовили два пространственно разделённых волновых пакета лёгких частиц, движущихся навстречу друг другу. Затем гамильтониан теории поля Изинга эволюционировал в реальном времени с тро́ттеровским разбиением: непрерывную динамику приближали последовательностью квантовых операций. По мере сближения пакетов, их столкновения и последующего разлёта авторы измеряли локальную плотность энергии. 7

Подготовка каждого пакета шла в два этапа:

1. Строилось специальное состояние, подобное ( |W(k_0)\rangle ), которое задаёт пространственную форму пакета, его импульсное распределение и квантовые числа. На этом этапе в состоянии ещё могут присутствовать многчастичные компоненты.
2. Далее применялись вариационные схемы, сохраняющие симметрии, чтобы минимизировать энергию и приблизить состояние к нужному одночастичному собственному состоянию. 7

Сами схемы для больших решёток предварительно проектировали и проверяли классическим моделированием методом матричных произведений состояний (MPS), а затем использовали как начальное состояние в эксперименте на 104-кубитном устройстве. 7

По какому признаку увидели неупругое рассеяние

При упругом рассеянии после удара должны разлететься две лёгкие частицы: их импульсы могут измениться, но новая разновидность частицы не возникает. Поэтому распределение энергии после столкновения ожидается сравнительно симметричным.

В неупругом сценарии одна из исходящих частиц оказывается тяжёлой и движется медленнее. Это оставляет характерный асимметричный след в профиле плотности энергии. Авторы измерили эту асимметрию через коэффициент асимметрии (skewness) распределения энергии. Ненулевое значение, согласующееся с рассчитанной траекторией тяжёлой частицы, позволило отличить неупругий канал от упругого эталонного поведения. 7

Иными словами, наблюдалось не просто перемещение энергии по цепочке кубитов: форма энергетического профиля была совместима с превращением энергии движения двух лёгких частиц в конечное состояние из лёгкой и более тяжёлой частиц. 7

Зачем понадобились W-состояния

Обычная подготовка широкого волнового пакета требует всё более глубокой квантовой схемы по мере роста числа охватываемых им узлов. Авторы адаптировали подготовку W-состояний для создания начального состояния типа ( |W(k_0)\rangle ). 27

Ключевую роль сыграли промежуточные измерения и классическая обратная связь: часть кубитов измеряется прямо в ходе выполнения схемы, после чего последующие операции выбираются в зависимости от полученного результата. Это позволило реализовать протокол подготовки W-состояния без вспомогательных кубитов и с постоянной глубиной схемы. Глубина не зависит от размера волнового пакета и пространственной размерности, за исключением зависимости от физической длины корреляции. 7

Авторы характеризуют выигрыш как сверхэкспоненциальный по сравнению с прежними подходами, которым требовалась либо экспоненциально дорогая классическая предварительная обработка, либо глубина схемы, полиномиально растущая с размером пакета. 7

Что это означает — и чего не означает

Метод подготовки пакетов авторы также построили или продемонстрировали для одномерной скалярной теории поля, модели Швингера и двумерной теории поля Изинга. 7

Долгосрочная цель таких работ — моделирование неравновесной динамики сильно взаимодействующих квантовых полей. В высокоэнергетических столкновениях кинетическая энергия рождает новые частицы; расчёт их числа и поведения важен для адронного рождения и в конечном счёте для квантовой хромодинамики (КХД). Именно динамика в реальном времени особенно трудна для классических вычислительных методов. 7

Однако нынешний эксперимент не является моделированием КХД, трёхмерных адронных струй или реалистичного события на ускорителе. Он относится к одномерной теории поля Изинга и выполнен на шумном оборудовании с методами подавления ошибок, а не на полностью отказоустойчивом квантовом компьютере с коррекцией ошибок. Поэтому результат следует понимать как экспериментальное свидетельство предсказанного процесса в выбранной модели, а не как систематически точный расчёт рассеяния. 7

Для перехода к многомерным калибровочным теориям, особенно к КХД, потребуются существенно более крупные и точные, вероятно отказоустойчивые квантовые машины, а также масштабируемая подготовка состояний, кодирование калибровочных полей, длительная эволюция в реальном времени и точное извлечение многочастичных наблюдаемых. 7