Pierwsza taka symulacja na komputerze kwantowym

| Astronomia/fizyka
scienceheath, CC-BY

Po raz pierwszy w historii udało się przeprowadzić na komputerze kwantowym pełną symulację tworzenia par cząstek i ich antycząstek. Jeśli naukowcom uda się przeskalować ten proces mogą zyskać narzędzie obliczeniowe, z którym tradycyjne komputery nie będą w stanie konkurować.

Fizycy, by zrozumieć działanie wielu procesów, często wykorzystują symulacje komputerowe. Jednak nie wszystko można symulować. Obecne komputery są zbyt wolne, by dokładnie badać np. oddziaływania silne, które decydują o tym, w jaki sposób kwarti łączą się w protony i neutrony oraz jak powstaje jądro atomu.

Naukowcy pokładają olbrzymie nadzieje w komputerach kwantowych, które powinny być w stanie rozwiązać tego typu problemy. Jednak takie maszyny znajdują się na bardzo wczesnym etapie rozwoju i nie dorównują możliwościami tradycyjnym komputerom.
Esteban Martines i jego koledzy z Uniwersytetu w Innsbrucku stworzyli prototypowy komputer kwantowy, który poradził sobie z symulowaniem eksperymentu, podczas którego energia zamienia się w materię, wskutek czego powstaje elektron i pozytron.

Uczeni wykorzystali pole elektromagnetyczne, w którym uwięzili ustawione w rzędzie jony. W każdym z jonów zakodowano jeden kubit, którym manipulowano za pomocą lasera, przeprowadzając operacje logiczne. Po około 100 sekwencjach, z których każda trwała kilka milisekund, naukowcy przyjrzeli się jonom. Każdy z jonów reprezentował lokalizację - dwa dla cząstek, dwa dla antycząstek - a orientacja spinu wskazywała, czy cząstka lub antycząstka istnieje w danej lokalizacji.

Obliczenia potwierdziły przypuszczenia z dziedziny elektrodynamiki kwantowej. Im silniejsze pole elektromagnetyczne, tym szybciej powstają cząstki i antycząstki - mówi Martinzes.

Jak już wspomniano, uczeni wykorzystali 4 kubity. Takie operacje jak np. rozkład liczb na czynniki pierwsze, przydatne przy łamaniu szyfrów, będą wymagały setek kubitów. Jednak symulacje fizyczne, w którym dopuszczalny jest niewielki margines błędu, mogłoby wystarczyć już 30-40 kubitów, mówi Martinez. Przeskalowanie komputera z Innsbrucka nie będzie jednak łatwe. Jak mówi specjalizujący się w obliczeniach kwantowych fizyk John Chiaverini z MIT, liniowe ułożenie jonów w pułapce to czynnik, który bardzo ogranicza możliwości skalowania. Fizycy z Wiednia zdają sobie z tego sprawę i dlatego, jak poinformowała fizyk teoretyczna Christine Muschik, planują obecnie eksperymenty z dwuwymiarowym ułożeniem jonów.

Na razie jeszcze nie doszliśmy do momentu, w którym jesteśmy w ten sposób odpowiedzieć na pytania, na które nie potrafimy odpowiedzieć za pomocą klasycznych komputerów. Ale to pierwszy krok w tym kierunku - mówi Martinez. Zastrzega od razu, że na przełom przyjdzie nam jeszcze poczekać. Miną lata zanim powstanie odpowiedni sprzęt oraz algorytmy konieczne do symulowania oddziaływań silnych czy budowy gwiazd neutronowych.

komputer kwantowym symulacja oddziaływania silne