Квантовый компьютер смоделировал столкновение частиц в партонном ливне

Разработанный ими квантовый алгоритм учитывает сложность партонных ливней, которые представляют собой сложные всплески частиц, возникающие в результате столкновений, включающих процессы образования и распада частиц. Классические алгоритмы, обычно используемые для моделирования партонных потоков, такие как популярные алгоритмы Монте-Карло с цепью Маркова, не учитывают несколько квантовых эффектов.

Новый подход объединяет квантовые и классические вычисления: он использует квантовое решение только для той части столкновений частиц, которая не может быть решена с помощью классических вычислений, и использует классические вычисления для решения всех других аспектов столкновений частиц.

Исследователи построили так называемую игрушечную модель — упрощенную теорию, которую можно запустить на реальном квантовом компьютере, но при этом она будет иметь достаточно сложный характер, который не позволяет моделировать ее с использованием классических методов.

При построении своего квантового алгоритма исследователи учли различные процессы и результаты частиц, которые могут происходить в партонном ливне, учитывая состояние частицы, историю эмиссии частиц, происходили ли эмиссии до этого и количество частиц, произведенных в ливне, включая отдельные подсчеты для бозонов и для двух типов фермионов. Квантовый компьютер вычислял эти истории одновременно и суммировал все возможные истории на каждом промежуточном этапе.

Исследовательская группа использовала микросхему IBM Q Johannesburg — квантовый компьютер с 20 кубитами. Каждый кубит или квантовый бит может представлять ноль, единицу и состояние так называемой суперпозиции, в которой он представляет одновременно ноль и единицу. Эта суперпозиция делает кубиты уникально мощными по сравнению со стандартными вычислительными битами, которые могут представлять ноль или единицу.

Исследователи построили четырехступенчатую схему квантового компьютера с использованием пяти кубитов, а алгоритм требует 48 операций. Исследователи отметили, что причиной различий в результатах с квантовым симулятором, скорее всего, является шум в квантовом компьютере.

Хотя новаторские усилия команды по применению квантовых вычислений к упрощенной части данных коллайдера частиц являются многообещающими, исследователи не обещают, что квантовые компьютеры окажут большое влияние на область физики высоких энергий в течение нескольких лет, по крайней мере, до того как оборудование улучшится. По мере совершенствования аппаратного обеспечения в квантовом алгоритме можно будет учитывать больше типов бозонов и фермионов, что повысит его точность.