IBM mô phỏng va chạm hạt bằng 104 qubit: Dấu hiệu tạo ra hạt nặng xuất hiện thế nào?

Thí nghiệm thực sự đã làm gì?

Roland C. Farrell, Nikita A. Zemlevskiy, Marc Illa và John Preskill đã dùng bộ xử lý lượng tử 104 qubit ibm_marrakesh của IBM để thực hiện mô phỏng số theo thời gian thực về một vụ va chạm trong lý thuyết trường Ising một chiều. Họ chuẩn bị hai gói sóng của hạt nhẹ, đặt chúng cách xa nhau và cho chuyển động ngược chiều, rồi cho hệ tiến hóa qua thời điểm va chạm.

Sau đó, nhóm đo mật độ năng lượng tại các vị trí khác nhau trên lưới mô phỏng. Các lần chạy phần cứng dùng tới 5.589 cổng hai qubit để đi đến giai đoạn sau va chạm. 7

Điểm đáng chú ý là bằng chứng về sự tạo hạt không đàn hồi: kết quả không chỉ phù hợp với hai hạt nhẹ bay ra sau va chạm, mà phù hợp với trạng thái cuối gồm một hạt nhẹ và một kích thích nặng hơn, di chuyển chậm hơn. 7

Đây không phải là các hạt vật lý lao vào nhau bên trong con chip. Con chip đang biểu diễn động lực học lượng tử của một mô hình trường lượng tử đã được rời rạc hóa. Giá trị của cách làm này là mô phỏng trực tiếp diễn biến lượng tử nhiều hạt theo thời gian thực — dạng bài toán thường khó xử lý bằng các phương pháp cổ điển tổng quát.

Hai gói sóng được tạo và cho va chạm ra sao?

Quy trình gồm ba bước chính:

1. Tạo trạng thái ban đầu: Hai gói sóng hạt nhẹ được định xứ ở hai vùng tách biệt, mang động lượng trái dấu để hướng vào nhau.
2. Cho hệ tiến hóa: Mạch lượng tử dùng phép xấp xỉ Trotter để mô phỏng tiến hóa theo thời gian của Hamiltonian, khi hai gói sóng tiến lại gần, chồng lấp và tách ra.
3. Đo trạng thái sau va chạm: Mật độ năng lượng cục bộ được đo để theo dõi năng lượng phân bố như thế nào sau khi các hạt đi qua nhau. 7

Khâu chuẩn bị là then chốt, vì một mô phỏng tán xạ chỉ đáng tin khi trạng thái hạt đi vào được tạo đúng. Nhóm trước hết xây dựng trạng thái dạng ( |W(k_0)\rangle ), được thiết kế để kiểm soát bao không gian, thành phần động lượng và số lượng tử của gói sóng. Trạng thái ban đầu này có thể lẫn các thành phần đa hạt không mong muốn; vì vậy, họ tiếp tục dùng các mạch biến phân bảo toàn đối xứng để hạ năng lượng, đưa nó gần hơn với trạng thái riêng một hạt mục tiêu. 7

Các mạch tạo gói sóng cho lưới Ising lớn được thiết kế trước bằng mô phỏng cổ điển sử dụng trạng thái tích ma trận (matrix-product state, MPS), rồi mới triển khai làm trạng thái đầu vào trên bộ xử lý 104 qubit. 7

Vì sao W-state, đo giữa mạch và phản hồi cổ điển lại quan trọng?

Nếu gói sóng trải dài trên nhiều điểm lưới, các phương pháp chuẩn bị thông thường có thể đòi hỏi mạch ngày càng sâu. Nhóm đã điều chỉnh kỹ thuật chuẩn bị W-state để tránh trở ngại này, dựa vào hai khả năng của mạch lượng tử động:

• Đo giữa mạch: thực hiện phép đo trước khi chương trình lượng tử kết thúc, tạo ra kết quả cổ điển ngay trong lúc chạy.
• Phản hồi cổ điển (feed-forward): dùng kết quả đó để quyết định các thao tác lượng tử có điều kiện ở phần mạch tiếp theo.

Kết hợp hai kỹ thuật, giao thức có thể chuẩn bị gói sóng mà không cần qubit phụ trợ; độ sâu mạch không phụ thuộc vào kích thước gói sóng hay số chiều không gian, ngoại trừ sự phụ thuộc vào độ dài tương quan vật lý của hệ. 7

Các tác giả mô tả đây là cải thiện siêu hàm mũ so với các hướng trước đó, vốn có thể cần tiền xử lý cổ điển tốn kém hoặc mạch sâu tăng đa thức theo kích thước gói sóng. 27

Độ lệch mật độ năng lượng đã chỉ ra hạt nặng như thế nào?

Thí nghiệm không nhận diện hạt đầu ra bằng một “ảnh detector” theo nghĩa thông thường. Thay vào đó, nhóm nhìn vào hình dạng của phân bố mật độ năng lượng sau va chạm.

Trong một kịch bản tương đối đàn hồi, hai hạt nhẹ bay ra sẽ tạo phân bố năng lượng đối xứng hơn. Nhưng nếu một hạt nặng được tạo ra, nó di chuyển chậm hơn. Điều đó làm phân bố năng lượng sau va chạm bị lệch về một phía. 7

Để lượng hóa độ lệch này, nhóm dùng skewness — thước đo thống kê về mức độ bất đối xứng của một phân bố. Skewness khác 0, đồng thời phù hợp với quỹ đạo dự kiến của hạt nặng, là dấu hiệu của kênh không đàn hồi. 7

Ý nghĩa ở đây không chỉ là năng lượng bị phân phối lại. Dữ liệu phù hợp với diễn giải rằng động năng của hai hạt nhẹ ban đầu đã góp phần tạo nên trạng thái cuối có một hạt nhẹ và một kích thích nặng hơn. 7

Liên hệ với QCD và vật lý va chạm năng lượng cao

Sự tạo hạt là đặc điểm nền tảng của các va chạm năng lượng cao. Mục tiêu dài hạn là dự đoán cách các lý thuyết trường lượng tử tương tác mạnh tạo ra hạt và hành vi tập thể — những vấn đề có liên hệ với sự tạo hadron và cuối cùng là sắc động lực học lượng tử, hay QCD, lý thuyết mô tả tương tác mạnh.

Động lực học thời gian thực tổng quát đặc biệt khó đối với tính toán cổ điển. Vì thế, đây là một trong các bài toán mà máy tính lượng tử có thể trở nên hữu ích khi phần cứng trưởng thành hơn. 7

Phương pháp chuẩn bị gói sóng của nghiên cứu không chỉ áp dụng cho minh họa Ising một chiều. Nhóm cũng đã xây dựng hoặc trình diễn cách tiếp cận này cho lý thuyết trường vô hướng một chiều, mô hình Schwinger và lý thuyết trường Ising hai chiều. 27

Kết quả này chưa chứng minh điều gì?

Đây là bước tiến thuật toán và phần cứng đáng kể, nhưng phạm vi của nó cần được hiểu chính xác:

• Mô phỏng là lý thuyết trường Ising một chiều, không phải QCD, không phải va chạm hadron ba chiều và cũng không phải jet hạt tại máy gia tốc. 7
• Kết quả đưa ra bằng chứng về một kênh không đàn hồi, chứ chưa phải dự đoán tán xạ có độ chính xác hệ thống trên máy tính lượng tử chịu lỗi hoàn chỉnh. 7
• Phần cứng vẫn có nhiễu và nghiên cứu phải dùng các kỹ thuật giảm thiểu lỗi; điều này khác căn bản với tính toán có sửa lỗi lượng tử đầy đủ. 78
• Việc vươn tới các lý thuyết gauge nhiều chiều, tiến hóa thời gian dài và phép đo chính xác các quan sát được đa hạt vẫn đòi hỏi hệ lượng tử mạnh hơn rất nhiều.

Thành tựu trước mắt vì vậy hẹp hơn QCD, nhưng cụ thể: một bộ xử lý lượng tử đã theo dõi trạng thái hai hạt được chuẩn bị sẵn đi qua va chạm và tạo ra tín hiệu đo được, phù hợp với sự xuất hiện của một hạt nặng hơn. Điều đó khiến mô phỏng tán xạ thời gian thực và sự tạo hạt trở thành mục tiêu khả thi hơn cho các thế hệ phần cứng lượng tử sau này. 7