IBM:s kvantdator gav tecken på partikelproduktion i en simulerad kollision

I korthet

Roland C. Farrell, Nikita A. Zemlevskiy, Marc Illa och John Preskill använde IBM:s 104-kubitarsprocessor ibm_marrakesh för en digital realtidssimulering av en kollision i endimensionell Isingfältteori. De förberedde två åtskilda vågpaket av lätta partiklar med rörelse mot varandra, lät systemet utvecklas genom kollisionen och mätte sedan den lokala energitätheten. Körningarna på hårdvaran använde upp till 5 589 tvåkubitsgrindar för att nå dynamiken efter kollisionen. 7

Det centrala resultatet var belägg för oelastisk partikelproduktion. I stället för att utfallet bara bestod av två utgående lätta partiklar var mätningarna förenliga med ett sluttillstånd med en lätt partikel och en långsammare, tyngre excitation. 7

Det handlade alltså inte om att fysiska partiklar kolliderade inne i ett datorchip. Processorn användes för att representera dynamiken i en förenklad kvantfältteori – en typ av beräkning som i realtid kan bli mycket svår att göra med vanliga datorer.

Så byggdes och kolliderade vågpaketen

Forskarna kodade en diskretiserad Isingfältteori på kvantprocessorn och genomförde tidsutvecklingen med en så kallad trotteriserad kvantkrets. I praktiken skedde beräkningen i tre steg:

1. Förbered inkommande partiklar. Två lokaliserade vågpaket för lätta partiklar initierades långt från varandra med motsatta rörelsemängder.
2. Utveckla systemet genom kollisionen. Trottersteg approximerade teorins tidsutveckling när paketen närmade sig, överlappade och därefter separerade.
3. Mät det utgående tillståndet. Mätningar av lokal energitäthet följde var energin fanns efter sammanstötningen. 7

En avgörande del var att skapa ett bra utgångstillstånd. Teamet konstruerade först ett skräddarsytt tillstånd av typen ( |W(k_0)\rangle ), vilket anger vågpaketets rumsliga form, rörelsemängdsinnehåll och kvanttal. Eftersom ett sådant starttillstånd kan innehålla oönskade flerpartikelkomponenter användes sedan symmetribevarande variationskretsar för att sänka energin mot det önskade enpartikelegentillståndet. 7

Kretsarna för de stora Ising-vågpaken utformades först med klassiska simuleringar baserade på matrissproduktstillstånd, innan de användes som initialtillstånd på 104-kubitarsprocessorn. 7

Varför W-tillstånd och dynamiska kretsar var viktiga

Att skapa ett utbrett vågpaket på en kvantdator kan annars kräva allt djupare kretsar när paketet omfattar fler gitterpunkter. Forskarna anpassade därför tekniker för att förbereda W-tillstånd med två funktioner som gör kvantkretsen dynamisk:

• Mätningar mitt i kretsen ger klassiska mätresultat innan kvantprogrammet är klart.
• Klassisk återkoppling använder resultaten för att välja efterföljande villkorade operationer.

Tillsammans möjliggör de ett protokoll utan extra hjälpkubiter, där kretsdjupet inte växer med vågpaketets storlek eller med den rumsliga dimensionen – bortsett från ett beroende av den fysiska korrelationslängden. 7

Författarna beskriver detta som en superexponentiell förbättring jämfört med tidigare metoder, som antingen krävde dyr klassisk förbehandling eller kretsdjup som växte polynomiellt med vågpaketets storlek. 27

Energiprofilens snedhet avslöjade den tunga partikeln

Experimentet identifierade inte utgående partiklar genom en vanlig detektorbild. I stället användes formen på den uppmätta energitäthetsprofilen.

Vid ett relativt elastiskt utfall väntas två utgående lätta partiklar ge en mer symmetrisk energifördelning efter kollisionen. I den oelastiska kanalen rör sig en tung partikel långsammare, vilket skapar en mätbar asymmetri i profilen. 7

Forskarna kvantifierade asymmetrin med skevhet, ett statistiskt mått på om en fördelning har en längre eller tyngre svans åt ena hållet. En icke-noll skevhet som stämde med den väntade banan för en tung partikel fungerade som signatur för den oelastiska processen. 7

Detta talar för mer än att energin bara omfördelades: signalen var förenlig med att de inkommande lätta partiklarnas rörelseenergi omvandlades till ett sluttillstånd med en ny, tyngre excitation och en lätt partikel. 7

Varför resultatet är intressant för kvantfältteori

Partikelproduktion är ett grundläggande inslag i högenergikollisioner. På sikt vill forskare kunna förutsäga hur kollisioner i starkt växelverkande kvantfältteorier skapar partiklar och kollektivt beteende. Det är frågor med koppling till hadronproduktion och i förlängningen kvantkromodynamik, QCD – teorin för den starka kärnkraften. Generell kvantdynamik i realtid är särskilt svår för klassiska metoder och är därför ett naturligt mål för framtida kvantdatorer. 7

Metoden för att förbereda vågpaket är inte begränsad till Isingdemonstrationen. Författarna har också konstruerat eller visat metoden för endimensionell skalär fältteori, Schwingermodellen och tvådimensionell Isingfältteori. 27

Vad studien visar – och inte visar

Detta är en betydelsefull demonstration av både algoritm och hårdvara, men räckvidden är viktig att hålla isär:

• Modellen var endimensionell Isingfältteori, inte QCD, realistiska tredimensionella hadronkollisioner eller partikelstrålar från en kolliderare. 7
• Resultatet gav belägg för en oelastisk kanal, inte en systematiskt precis spridningsförutsägelse på en feltolerant kvantdator. 7
• Beräkningen gjordes på brusig kvantmaskinvara och använde felreducerande metoder. Det är något helt annat än en fullt felkorrigerad kvantberäkning. 78
• Realistiska gaugeteorier i högre dimensioner återstår. Kodningarna blir svårare, tidsutvecklingen måste kunna köras längre och förberedelse samt avläsning av tillstånd med många partiklar måste skalas upp med hög precision.

Det omedelbara genombrottet är därmed avgränsat men konkret: en kvantprocessor följde ett förberett tvåpartikeltillstånd genom en kollision och gav en mätbar signal förenlig med en tyngre utgående partikel. Det gör skalbar förberedelse av spridningstillstånd och studier av partikelproduktion i realtid till mer trovärdiga mål för framtida kvantdatorer. 7