Kwantowy przełom w symulacjach. Odtworzono stan sprzed zderzenia cząstek

Opisanie fundamentalnych zachowań natury, takich jak te zachodzące w sercach gwiazd neutronowych czy podczas zderzeń w akceleratorach cząstek, stanowi jedno z największych wyzwań dla współczesnej fizyki. Model Standardowy dostarcza równań opisujących te zjawiska, jednak w praktyce, zwłaszcza w warunkach ekstremalnych, stają się one tak złożone, że rozwiązanie ich przy użyciu nawet najpotężniejszych klasycznych superkomputerów graniczy z niemożliwością. Dynamicznie zmieniające się środowiska i materię o ogromnej gęstości bardzo trudno jest uwzględnić w symulacjach. Na horyzoncie pojawiła się jednak technologia, która może zmienić reguły gry: komputery kwantowe. Naukowcy właśnie dokonali w tym zakresie znaczącego kroku naprzód, prezentując metodę, która pozwala symulować stany fizyczne dotychczas poza zasięgiem.

Główną przeszkodą w wykorzystaniu komputerów kwantowych do symulacji fizyki cząstek było przygotowanie odpowiedniego stanu początkowego. Każda symulacja wymaga punktu wyjścia, a w przypadku zderzeń cząstek jest to tzw. stan próżni sprzed kolizji. Zbudowanie tak skomplikowanego układu kwantowego w kontrolowany sposób okazało się niezwykle trudne. Międzynarodowy zespół badawczy, korzystając ze sprzętu IBM, po raz pierwszy stworzył skalowalne obwody kwantowe zdolne do przygotowania tego właśnie stanu początkowego. Co więcej, udało im się przeprowadzić symulację na ponad 100 kubitach, co stanowi największy tego typu eksperyment w dziedzinie fizyki jądrowej.

Kluczem do sukcesu okazała się hybrydowa metodologia łącząca moc klasycznych i kwantowych maszyn. Naukowcy rozpoczęli od zaprojektowania niezbędnych obwodów dla małych systemów, wykorzystując do tego celu tradycyjne komputery. W ten sposób mogli dokładnie przetestować i zoptymalizować każdy element. Kiedy projekt był gotowy, zidentyfikowali w nim powtarzalne wzorce, takie jak symetrie czy różnice w skalach długości. Te wzorce pozwoliły na stworzenie skalowalnej struktury, którą można było łatwo rozszerzyć na znacznie większe systemy. Gotowy projekt został następnie zaimplementowany bezpośrednio na komputerze kwantowym, omijając ograniczenia klasycznej symulacji.

Wykorzystując te innowacyjne obwody, badacze pomyślnie odtworzyli kluczowe cechy fizyki jądrowej. Symulacja obejmowała nie tylko przygotowanie stanu próżni, ale także generowanie pulsów hadronów – cząstek złożonych, takich jak protony i neutrony. Następnie obserwowano, jak te pulsy propagują się w czasie, śledząc ich ewolucję. Dane zebrane z eksperymentu na komputerze kwantowym pozwoliły na wyznaczenie właściwości próżni z dokładnością na poziomie kilku procent, co jest niezwykle obiecującym wynikiem, biorąc pod uwagę wczesny etap rozwoju tej technologii.

Osiągnięcie to otwiera drzwi do badań nad największymi tajemnicami wszechświata. Symulacje, które do tej pory były czysto teoretyczne, mogą wkrótce stać się narzędziem do poszukiwań odpowiedzi na fundamentalne pytania. Naukowcy mają nadzieję, że komputery kwantowe pomogą wyjaśnić asymetrię między materią a antymaterią, zrozumieć procesy tworzenia ciężkich pierwiastków w wybuchach supernowych oraz zbadać zachowanie materii w gwiazdach neutronowych, gdzie gęstość osiąga niewyobrażalne wartości.

Potencjał tej technologii wykracza poza fizykę cząstek. Te same techniki mogą znaleźć zastosowanie w modelowaniu innych trudnych układów, na przykład egzotycznych materiałów o niezwykłych właściwościach kwantowych, które mogłyby zrewolucjonizować elektronikę czy energetykę. Praca badawcza, wspierana przez amerykański Departament Energii i czołowe ośrodki akademickie, pokazuje, że wkraczamy w nową erę obliczeń. Era, w której komputery kwantowe staną się nieocenionym narzędziem w odkrywaniu sekretów natury, które pozostawały ukryte nawet przed najpotężniejszymi maszynami klasycznymi.

Źródła:

https://www.maartenbaert.be/extremephysics/ 

https://www.youtube.com/playlist 

https://www.youtube.com/watch 

https://www.lorentzcenter.nl/extreme-physics-extreme-data.html 

https://quics.umd.edu/about/news/quics-fellow-advocates-quantum-simulation-extreme-physics