Προσομοίωση σωματιδιακής φυσικής με κβαντικούς υπολογιστές

Posted on 11/12/2020

0


Όταν βαρέα ιόντα με ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός συγκρούονται σε έναν επιταχυντή σωματιδίων, παράγουν ένα σχεδόν τέλειο ρευστό μέσα στο οποίο κολυμπούν διάφορα στοιχειώδη σωματίδια. Για γίνει ακριβής προσομοίωση έστω και μιας ‘μικροσκοπικής σταγόνας’ αυτού του θερμού και πυκνού υποατομικού προϊόντος σε έναν κλασικό υπολογιστή, θα χρειαζόταν ένα χρονικό διάστημα μεγαλύτερο από την ηλικία του σύμπαντος.

Μια ομάδα θεωρητικών, πειραματικών φυσικών και επιστημόνων υπολογιστών διερεύνησε το πως θα μπορούσε να αντιμετωπιστεί ένα τέτοιο πρόβλημα με την βοήθεια ενός ισχυρού και αναδυόμενου εργαλείου: των κβαντικών υπολογιστών.

Σήμερα, οι φυσικοί χρησιμοποιούν κλασικούς υπολογιστές υψηλής ισχύος, συνδεδεμένους μεταξύ τους, για να δημιουργήσουν προσομοιώσεις των υποατομικών αλληλεπιδράσεων.

Όμως το πλεονέκτημα των κβαντικών υπολογιστών όσον αφορά ορισμένους τύπους πολύπλοκων υπολογισμών είναι ασυναγώνιστο. Και τέτοιοι υπολογισμοί χρειάζονται για να αναλυθούν τα αποτελέσματα πειραμάτων π.χ. συγκρούσεων βαρέων ιόντων με υψηλές ενέργειες. Χρησιμοποιώντας τις κβαντικές διαδικασίες που κάνουν τον κβαντικό υπολογιστή να λειτουργεί, προσομοιώνονται οι κβαντικές διαδικασίες που συμβαίνουν στις συγκρούσεις πυρήνων με σχετικιστικές ταχύτητες. Ελπίζουμε ότι θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε τους κβαντικούς υπολογιστές για να λύσουμε δύσκολα εκκρεμή προβλήματα φυσικής.

Οι σημερινοί κβαντικοί υπολογιστές διανύουν ακόμα την παιδική τους ηλικία και δεν διαθέτουν την περιπλοκότητα και αξιοπιστία των κλασικών υπολογιστών. Αλλά οι Mulligan, Yao και Ringer θέλουν να είναι έτοιμοι όταν ωριμάσει η τεχνολογία τους.

Έτσι, πραγματοποίησαν πρόσφατα μια έρευνα με τίτλο «Quantum simulation of open quantum systems in heavy-ion collisions» στην οποία εξέτασαν το πως θα μπορούσαν να επηρεαστούν οι ιδιότητες ενός βαρέος σωματιδίου καθώς διασχίζει το πλάσμα κουάρκ-γλοιονίων .

Το πλάσμα κουάρκ-γλοιονίων είναι η πιο θερμή και πυκνή κατάσταση της γνωστής ύλης και παράγεται κατά τη διάρκεια συγκρούσεων βαρέων ιόντων, σε επιταχυντές όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων στο CERN ή ο επιταχυντής στο Brookhaven National Laboratory. Οι Mulligan et al πραγματοποίησαν την προσομοίωσή τους τόσο σε έναν πραγματικό κβαντικό υπολογιστή που κατασκευάστηκε από την IBM όσο και σε έναν κλασικό υπολογιστή που διαμορφώθηκε έτσι ώστε να μιμείται έναν κβαντικό υπολογιστή.

Μετά από αρκετούς μήνες δοκιμών και βελτιώσεων του κώδικά τους, κατάφεραν να αποδείξουν ότι αυτά τα είδη υπολογισμών είναι πλέον εφικτά στους σημερινούς κβαντικούς υπολογιστές.

Είναι σημαντικό να ξεκινήσουμε από τώρα την εξερεύνηση αυτών των τεχνικών, δήλωσε ο Ringer. Ενδεχομένως, η κοινότητα της σωματιδιακής φυσικής θα μπορούσε επιδράσει στην διαμόρφωση της εξέλιξης των κβαντικών υπολογιστών, προτείνοντας ενδιαφέροντα προβλήματα τα οποία θα μπορούν να λυθούν από την επόμενη γενιά μηχανών.

διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες στο άρθρο του symmetrymagazine.org:»Simulating subatomic physics on a quantum computer»