IBM ใช้คิวบิต 104 ตัวจำลองการชนที่ก่ออนุภาคใหม่ได้อย่างไร

การทดลองนี้ทำอะไรได้บ้าง

Roland C. Farrell, Nikita A. Zemlevskiy, Marc Illa และ John Preskill ใช้โปรเซสเซอร์ควอนตัม ibm_marrakesh ของ IBM จำนวน 104 คิวบิต เพื่อทำการจำลองแบบดิจิทัลของการชนใน ทฤษฎีสนามไอซิงหนึ่งมิติ แบบเรียลไทม์

ทีมงานสร้างเวฟแพ็กเก็ตของอนุภาคเบา 2 กลุ่ม ให้อยู่ห่างกันและเคลื่อนที่เข้าหากัน จากนั้นวิวัฒน์ระบบผ่านช่วงชน แล้ววัดความหนาแน่นพลังงานเฉพาะที่หลังอนุภาคผ่านกันไป การรันบนฮาร์ดแวร์ใช้เกตสองคิวบิตสูงสุด 5,589 เกตเพื่อเข้าถึงพลวัตหลังการชน 7

ข้อสังเกตหลักคือหลักฐานของ การเกิดอนุภาคในการกระเจิงไม่ยืดหยุ่น (inelastic particle production) กล่าวคือ ผลลัพธ์ไม่ได้สอดคล้องกับการที่อนุภาคเบา 2 ตัวกระเจิงออกไปเท่านั้น แต่สอดคล้องกับสถานะสุดท้ายที่มีอนุภาคเบา 1 ตัว และสถานะกระตุ้นที่หนักกว่าและเคลื่อนที่ช้ากว่าอีก 1 ตัว 7

นี่ไม่ใช่การนำอนุภาคจริงมาชนกันภายในชิป แต่เป็นการจำลองทฤษฎีสนามควอนตัมฉบับลดรูป โดยฮาร์ดแวร์ควอนตัมทำหน้าที่แทนพลวัตควอนตัมแบบหลายวัตถุ ซึ่งโดยทั่วไปคำนวณแบบเรียลไทม์ได้ยากบนคอมพิวเตอร์คลาสสิก

จำลองการชนอย่างไร

ทีมงานเข้ารหัสทฤษฎีสนามไอซิงที่แบ่งพื้นที่เป็นตาข่ายลงบนโปรเซสเซอร์ แล้วใช้วงจรควอนตัมแบบ Trotterized เพื่อประมาณการวิวัฒน์ตามเวลา กระบวนการมี 3 ขั้นตอนหลัก

1. เตรียมอนุภาคขาเข้า — สร้างเวฟแพ็กเก็ตของอนุภาคเบา 2 กลุ่มที่อยู่ห่างกัน มีโมเมนตัมสวนทางกัน
2. วิวัฒน์ให้ผ่านการชน — ใช้ Trotter steps ประมาณการวิวัฒน์ของทฤษฎี ขณะเวฟแพ็กเก็ตเคลื่อนเข้าใกล้ ซ้อนทับกัน และแยกออก
3. วัดสถานะขาออก — วัดความหนาแน่นพลังงานเฉพาะที่ เพื่อติดตามว่าพลังงานกระจายตัวอย่างไรหลังการชน 7

เหตุใดการเตรียมเวฟแพ็กเก็ตจึงเป็นโจทย์สำคัญ

ความน่าเชื่อถือของการจำลองการกระเจิงขึ้นอยู่กับสถานะเริ่มต้นของอนุภาค ทีมวิจัยเริ่มจากการสร้างสถานะคล้าย ( |W(k_0)\rangle ) ที่ออกแบบให้กำหนดรูปทรงเชิงพื้นที่ องค์ประกอบโมเมนตัม และเลขควอนตัมของเวฟแพ็กเก็ตได้

แต่สถานะเริ่มต้นดังกล่าวอาจมีองค์ประกอบของหลายอนุภาคที่ไม่ต้องการปะปนอยู่ด้วย ดังนั้นทีมจึงใช้วงจรแปรผันที่รักษาสมมาตรของระบบ เพื่อลดพลังงานของสถานะให้เข้าใกล้สถานะลักษณะเฉพาะของอนุภาคเดี่ยวเป้าหมาย 7

วงจรสำหรับเวฟแพ็กเก็ตบนแลตทิซขนาดใหญ่ของทฤษฎีไอซิงได้รับการออกแบบด้วยการจำลองแบบ matrix-product-state ก่อนนำไปใช้สร้างสถานะเริ่มต้นบนชิป 104 คิวบิต 7

จุดเด่นของวิธี W-state

วิธีดั้งเดิมมักทำให้วงจรลึกขึ้นตามจำนวนไซต์บนแลตทิซที่เวฟแพ็กเก็ตแผ่ครอบคลุม ทีมงานจึงปรับใช้เทคนิคเตรียม W-state โดยอาศัย การวัดระหว่างวงจร (mid-circuit measurement) และ การป้อนผลแบบคลาสสิก (classical feed-forward)

• การวัดระหว่างวงจรให้ผลลัพธ์แบบคลาสสิกก่อนที่โปรแกรมควอนตัมจะสิ้นสุด
• การป้อนผลใช้ผลการวัดนั้นกำหนดการดำเนินการแบบมีเงื่อนไขในลำดับถัดไป
• เมื่อนำมารวมกัน จะได้โปรโตคอลเตรียมสถานะโดยไม่ต้องใช้คิวบิตเสริม ซึ่งมีความลึกของวงจรไม่ขึ้นกับขนาดเวฟแพ็กเก็ตและมิติเชิงพื้นที่ ยกเว้นการขึ้นกับความยาวสหสัมพันธ์ทางฟิสิกส์ 7

ผู้วิจัยระบุว่าสเกลลิงนี้ดีขึ้นแบบเหนือเอ็กซ์โพเนนเชียลเมื่อเทียบกับแนวทางก่อนหน้า ที่ต้องประมวลผลคลาสสิกซึ่งมีต้นทุนสูง หรือใช้วงจรที่ลึกขึ้นแบบพหุนามตามขนาดเวฟแพ็กเก็ต 27

ค่า skewness ของพลังงานชี้ไปที่อนุภาคหนักอย่างไร

การทดลองไม่ได้ตรวจจับอนุภาคขาออกด้วยภาพจากดีเทกเตอร์แบบการทดลองฟิสิกส์อนุภาคทั่วไป แต่ดูจาก รูปร่างของโปรไฟล์ความหนาแน่นพลังงานที่วัดได้

หากการชนค่อนข้างยืดหยุ่น ผลลัพธ์ที่เป็นอนุภาคเบา 2 ตัวควรให้การกระจายพลังงานหลังการชนที่สมมาตรกว่า แต่ในช่องทางไม่ยืดหยุ่น อนุภาคหนักจะเคลื่อนที่ช้ากว่า ทำให้โปรไฟล์พลังงานหลังการชนมีความไม่สมมาตรที่ตรวจจับได้ 7

ทีมวัดความไม่สมมาตรนี้ด้วย skewness ซึ่งเป็นค่าสถิติที่บอกว่าการแจกแจงมีหางยาวหรือมีน้ำหนักเอนไปด้านใดด้านหนึ่ง ค่า skewness ที่ไม่เป็นศูนย์และสอดคล้องกับวิถีที่คาดของอนุภาคหนัก จึงเป็นลายเซ็นของกระบวนการไม่ยืดหยุ่น 7

ความหมายของผลนี้จึงไม่ใช่แค่พลังงานเปลี่ยนตำแหน่งไปมา แต่สอดคล้องกับภาพที่พลังงานจลน์ของอนุภาคเบาขาเข้าถูกแปลงเป็นสถานะสุดท้ายใหม่ ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคหนักหนึ่งตัวและอนุภาคเบาหนึ่งตัว 7

เหตุใดจึงสำคัญต่อการศึกษาทฤษฎีสนามควอนตัม

การเกิดอนุภาคเป็นลักษณะสำคัญของการชนที่พลังงานสูง เป้าหมายระยะยาวคือการทำนายว่า การชนในทฤษฎีสนามควอนตัมที่มีปฏิสัมพันธ์เข้มจะสร้างอนุภาคและพฤติกรรมรวมหมู่อย่างไร โจทย์ประเภทนี้เกี่ยวพันกับการเกิดแฮดรอน และท้ายที่สุดกับโครโมไดนามิกส์ควอนตัม หรือ QCD ซึ่งเป็นทฤษฎีแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม

พลวัตควอนตัมทั่วไปแบบเรียลไทม์เป็นสิ่งที่วิธีคลาสสิกจัดการได้ยากเป็นพิเศษ จึงเป็นเป้าหมายสำคัญของคอมพิวเตอร์ควอนตัมในอนาคต 7

วิธีเตรียมเวฟแพ็กเก็ตนี้ไม่ได้จำกัดอยู่เฉพาะตัวอย่างไอซิงหนึ่งมิติ ผู้วิจัยยังสร้างหรือสาธิตแนวทางดังกล่าวกับทฤษฎีสนามสเกลาร์หนึ่งมิติ, แบบจำลองชวิงเงอร์ และทฤษฎีสนามไอซิงสองมิติด้วย 27

ผลนี้บอกอะไร และยังไม่บอกอะไร

นี่คือความก้าวหน้าทั้งเชิงอัลกอริทึมและการทดลองบนฮาร์ดแวร์จริง แต่ขอบเขตของผลควรระบุให้ชัดเจน

• การจำลองเป็น ทฤษฎีสนามไอซิงหนึ่งมิติ ไม่ใช่ QCD ไม่ใช่การชนของแฮดรอนในสามมิติ และไม่ใช่เจ็ตจากเครื่องเร่งอนุภาค 7
• ผลที่ได้เป็น หลักฐานของช่องทางการชนไม่ยืดหยุ่น ไม่ใช่คำทำนายการกระเจิงที่แม่นยำอย่างเป็นระบบบนคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทนความผิดพลาดแล้ว 7
• การทดลองใช้ฮาร์ดแวร์ที่มีสัญญาณรบกวนและเทคนิคบรรเทาความคลาดเคลื่อน จึงแตกต่างโดยพื้นฐานจากการคำนวณที่มีการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมอย่างสมบูรณ์ 78
• การไปถึงทฤษฎีเกจในมิติสูงขึ้นยังท้าทายมาก ทั้งการเข้ารหัสระบบ การวิวัฒน์แบบเรียลไทม์เป็นเวลานาน การเตรียมสถานะที่ขยายสเกลได้ และการดึงค่าจากสิ่งสังเกตได้ของหลายอนุภาคอย่างแม่นยำ

ความสำเร็จในทันทีจึงมีขอบเขตจำเพาะ แต่จับต้องได้: โปรเซสเซอร์ควอนตัมสามารถติดตามสถานะสองอนุภาคที่เตรียมไว้ผ่านการชน และให้สัญญาณวัดได้ซึ่งสอดคล้องกับอนุภาคหนักขาออก นั่นทำให้การเตรียมสถานะสำหรับการกระเจิงที่ขยายสเกลได้ และการศึกษาการเกิดอนุภาคแบบเรียลไทม์ เป็นเป้าหมายที่น่าเชื่อถือขึ้นสำหรับฮาร์ดแวร์ควอนตัมรุ่นต่อไป 7