Kaip kvantinis kompiuteris išgelbėtų dalelių fiziką: atlikta pirmoji simuliacija

Tokia technika kvantiniais kompiuteriais būtų galima išspręsti kitaip neišsprendžiamas dalelių fizikos problemas

Fizikai atliko pirmąją didelės energijos fizikos eksperimento simuliaciją – dalelių ir jų antidalelių porų susidarymą – kvantiniu kompiuteriu. Jei komanda pavyks ją padidinti, ši technika galės atlikti skaičiavimus, kurie įprastiems kompiuteriams būtų pernelyg sudėtingi.

Norėdami suprasti savo teorijų prognozes, fizikai paprastai vykdo kompiuterines simuliacijas. Tada, tikrindami savo teorijas, jie palygina simuliacijų rezultatus su realiais eksperimentiniais duomenimis.

Tačiau kai kada skaičiavimai pernelyg sudėtingi, kad būtų galima vadovautis aukščiau išdėstytu principu. Tai ypač pasakytina apie reiškinius, susijusius su stipriąja branduoline sąveika, valdančia kvarkų sulipimą į protonus ir neutronus, bei kaip šios dalelės suformuoja atomų branduolius, sako Christine Muschik, fizikos teoretikė iš Innsbrucko universiteto Austrijoje ir simuliaciją atlikusios komandos narė.

Daug tyrėjų tikisi, kad ateities kvantiniai kompiuteriai padės išspręsti šią problemą. Tokios mašinos, kurios tebėra ankstyvosiose vystymosi stadijose, išnaudoja objektų, galinčių būti daugelio būsenų tuo pačiu metu, fiziką, koduodamos informaciją „kubituose“, o ne dvejetainėse įprasto bito būsenose. Iš keleto kubitų sudarytas kompiuteris gali atlikti daug skaičiavimų tuo pačiu metu, ir kai kurias užduotis atlikti ir kai kurias užduotis atlikti eksponentiškai sparčiau už įprastus kompiuterius.

Kubitų vilionės

Esteban Martinez, Innsbruck universiteto fizikos eksperimentatorius, su kolegomis užbaigė aukštos energijos fizikos eksperimento, kuriame energija virsta materija ir susidaro elektrono ir pozitrono pora, simuliacijos koncepcijos įrodymą.

Komanda panaudojo gerai išbandytą kvantinių kompiuterių tipą, kuriame elektromagnetinis laukas vakuume eilėje laiko keturis jonus, koduojančius kubitus. Jonų sukinius – magnetinę jų orientaciją – jie keitė lazerio spinduliais. Taip jonai buvo įtikinami atlikti logines operacijas, esminį bet kokių kompiuterinių skaičiavimų žingsnį.

Po sekų iš maždaug 100 žingsnių, trukusių kelias milisekundes, komanda patikrindavo jonų būseną skaitmenine kamera. Kiekvienas iš keturių jonų atstovavo vietą – du dalelių ir du antidalelių, o jonų orientacija rodė, ar toje vietoje dalelė/antidalelė sukuriama ar ne.

Komandos kvantiniai skaičiavimai patvirtino supaprastintos kvantų elektrodinamikos versijos – vyraujančios elektromagnetinės jėgos teorijos – prognozes. „Kuo stipresnis laukas, tuo greičiau galime kurti daleles ir antidaleles,“ paaiškina Martinezas. Jis su bendradarbiais aprašo rezultatus birželio 22–osios žurnale Nature.

Keturių kubitų kvantinis kompiuteris yra labai primityvus; ateities kvantiniuose kompiuteriuose, skirtuose sudėtingoms užduotims, pavyzdžiui, milžiniškų skaičių faktorizavimui, turės būti šimtai kubitų ir sudėtingi klaidų taisymo kodai. Bet fizikos simuliacijoms, kur nedidelės paklaidos leidžiamos, 30 ar 40 kubitų jau būtų naudingi, sako Martinezas.

John Chiaverini, su kvantiniais skaičiavimais MIT dirbantis fizikas, sako, kad eksperimentą gali būti sunku išplėsti, prieš tai jo smarkiai nemodifikavus. Linijinis jonų išdėstymas yra „itin varžantis, sprendžiant didesnio masto problemas“, pažymi jis. Muschik sako,kad jos komanda jau kuria planus dvimačio jonų išdėstymo planus.

Ar jau atvykome?

„Dar nepasiekėme lygio, kai galime atsakyti į klausimus, į kuriuos klasikiniu kompiuteri atsakymų gauti negalime,“ sako Martinezas, „tačiau tai – pirmasis žingsnis šia kryptimi.“ Kvantiniai kompiuteriai nėra nepamainomai būtini, norint suprasti elektromagnetinę jėgą. Tačiau tyrėjai tikisi patobulinti savo techniką taip, kad galėtų simuliuoti ir stipriąją branduolinę sąveiką. Tai gali užtrukti ne vienus metus, sako Muschik, ir tam reikės ne tik proveržio techninės įrangos srityje, bet ir naujų kvantinių algoritmų.

Tokie didesni kvantiniai kompiuteriai galėtų padėti suprasti, kas vyksta, pavyzdžiui, dideliu greičiu susiduriant dviems atomų branduoliams. Susidūrę su tokia problema, simuliacijos klasikiniu kompiuteriu tiesiog subyra, sako Andreas Kronfeld, fizikos teoretikas, dirbantis su stipriosios branduolinės jėgos simuliacijomis Fermi nacionalinėje greitintuvų laboratorijoje (Fermilab) netoli Čikagos, Ilinojaus valstijoje.

Kaip dar vieną pavyzdį jis pateikia neutronines žvaigždes. Mokslininkai mano, kad šie kompaktiški žvaigždiniai objektai yra sudaryti iš ankštai sugludusių neutronų, bet jie nėra užtikrinti. Jie taip pat nežino, kokios medžiagos būsenos šie neutronai yra.

This article is reproduced with permission and was first published on June 22, 2016.


   

Facebook komentarai