Kvantové počítače simulují částice „rozbití řetězce“ ve fyzikálním průlomu
Fyzici jsou o krok blíže k používání kvantových počítačů pro simulace, které jsou nad schopností jakýchkoli běžných počítačů
Magnetooptická past Aquila v zařízeních Quera.
Subatomické částice, jako jsou kvarky, se mohou spárovat, když jsou spojeny „řetězci“ silových polí – a uvolnit energii, když jsou řetězce přitahovány do bodu zlomení. Dva týmy fyziků nyní použily kvantové počítače k napodobení tohoto jevu a sledovaly, jak se v reálném čase rozvíjí.
Výsledky, popsané ve dvou Příroda Papíry 4. června jsou nejnovější v řadě průlomů k použití kvantových počítačů pro simulace, které jsou nad schopností jakýchkoli běžných počítačů.
„Rozbití strun je velmi důležitý proces, který dosud není plně pochopen z prvních principů,“ říká Christian Bauer, fyzik v Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) v Berkeley v Kalifornii. Fyzici mohou vypočítat konečné výsledky kolizí částic, které vytvářejí nebo rozbijí řetězce pomocí klasických počítačů, ale nemohou plně simulovat, co se mezi nimi děje. Úspěch kvantových simulací je „neuvěřitelně povzbudivý“, říká Bauer.
O podpoře vědecké žurnalistiky
Pokud se vám tento článek líbí, zvažte podporu naší oceněné žurnalistiky předplatné. Zakoupením předplatného pomáháte zajistit budoucnost působivých příběhů o objevech a myšlenkách, které dnes formují náš svět.
Simulace řetězce
Každý experiment provedl mezinárodní spolupráci zahrnující akademické a průmyslové výzkumné pracovníky-jeden tým v Quera Computing, začínající společnost v Cambridge, Massachusetts a další v laboratoři Google Quantum AI v Santa Barbara v Kalifornii.
Vědci používající Quera’s Aquila Machine kódovali informace v atomech, které byly uspořádány ve 2D voštinovém vzoru, z nichž každá byla zavěšena na místě optickým „pinzetem“. Kvantový stav každého atomu-qubit, který by mohl být nadšený nebo uvolněný-představoval elektrické pole v bodě ve vesmíru, vysvětluje spoluautor Daniel González-Cuadra, teoretického fyzika, který nyní v ústavu pro teoretickou fyziku v Madridu. V druhém experimentu vědci kódovali 2D kvantové pole ve státech supravodivých smyček na čipu Sycamore Google.
Týmy používaly diametrálně opačné filozofie kvantové simulace. Atomy v aquile byly uspořádány tak, aby elektrostatické síly mezi nimi napodobovaly chování elektrického pole a neustále se vyvíjely směrem k jejich vlastním stavám s nižší energií – přístup zvaný analogová kvantová simulace. Stroj Google byl místo toho použit jako „digitální“ kvantový simulátor: supravodivé smyčky byly vyrobeny tak, aby sledovaly vývoj kvantového pole „ručně“, prostřednictvím diskrétní sekvence manipulací.
V obou případech týmy nastavovaly řetězce v poli, které účinně fungovaly jako gumové pásy spojující dvě částice. V závislosti na tom, jak vědci vyladili parametry, mohou být řetězce tuhé nebo kolísavé nebo by se mohly rozpadnout. „V některých případech se celý řetězec jen rozpustí: částice se dekonfigují,“ říká Frank Pollmann, fyzik na Mnichově Technické univerzitě v Mnichově (Tum) v Garching v Německu, který pomohl vést experiment Google.
Rychlý pokrok
Ačkoli simulace řetězců ve 2D elektrickém poli by mohla mít aplikace pro studium fyziky materiálů, je to stále dlouhá cesta od plně simulace interakcí s vysokou energií, jako jsou ty, které se vyskytují v částicích, které jsou ve 3D a zahrnují mnohem složitější silnou jadernou sílu. „V tomto bodě nemáme jasnou cestu, jak se tam dostat,“ říká Monika Aidelsburger, fyzik v Maxovi Planckovi Institutu Quantum Optics v Mnichově v Německu.
Nejnovější výsledky jsou přesto vzrušující a pokrok v kvantové simulaci obecně byl „opravdu úžasný a velmi rychlý“, říká Aitelsburger.
V loňském roce byli Bauer a jeho kolega LBNL Anthony Ciavarella mezi prvními týmy, které simulovaly silnou jadernou sílu na kvantovém počítači. Přistupuje k tomu Nahraďte qubits za Qudits – které mohou mít více než dva kvantové stavy a mohou být realističtějšími reprezentacemi kvantového pole – mohou také učinit simulace silnější, říkají vědci.
Tento článek je reprodukován se svolením a byl poprvé publikováno 5. června 2025.
