Kwantumsimulaties beginnen steeds meer op het universum te lijken

Kleine kwantummachines, grote kosmische ambities

Het afgelopen jaar heeft een golf aan publicaties aangetoond dat programmeerbare kwantumprocessors nu de real-time dynamica van eenvoudige kwantumvelden kunnen reproduceren — dezelfde wiskunde die wordt gebruikt om deeltjesbotsingen, de quark-gluonsoep van het vroege universum en de extreme materie binnenin neutronensterren te beschrijven. Deze experimenten reproduceren nog geen volledige driedimensionale kwantumchromodynamica, maar ze demonstreren schaalbare circuitontwerpen en foutmitigatiestrategieën die kwantumhardware naar regimes duwen waar kwalitatief nieuwe fenomenen verschijnen.

Teams hebben verstrooiingsexperimenten en golfpakketbotsingen uitgevoerd op commerciële supergeleidende systemen die beschikbaar zijn via de kwantumcloud van IBM, waarbij gebruik werd gemaakt van processors die vernoemd zijn naar onderzoekstestomgevingen en families in de vloot van IBM. Die runs varieerden van tientallen tot meer dan honderd qubits en vertrouwden op zorgvuldig gecomprimeerde circuits om duizenden twee-qubit-gates te bereiken — lang genoeg om post-botsingsfysica te zien ontstaan in de gemeten observabelen.

Wat hebben ze precies gesimuleerd?

De recente inspanningen richten zich op vereenvoudigde maar fysiek betekenisvolle modellen: eendimensionale rooster-ijktheorieën en scalaire veldtheorieën die sleutelprocessen uit de deeltjesfysica vatten. In deze opstellingen bereiden onderzoekers gelokaliseerde golfpakketten voor die inkomende deeltjes nabootsen, laten deze in de tijd evolueren onder de Hamiltoniaan van het interagerende veld en lezen vervolgens uit hoe energie, lading en deeltjesinhoud zich na de botsing verspreiden. De resultaten omvatten elastische en inelastische verstrooiing, deeltjesproductie en regimes waarin de toestand na de botsing ofwel delokaliseert of gelokaliseerd blijft, afhankelijk van instelbare parameters in het model.

Hoe ze de circuits lieten schalen

Twee technische ontwikkelingen maken deze experimenten noemenswaardig. Ten eerste ontwikkelden teams compacte circuit-ansätze die vacuümtoestanden en gelokaliseerde excitaties vertegenwoordigen met veel minder gates dan een naïeve digitalisering zou vereisen. Deze variationele compressietechnieken en routines voor het creëren van golfpakketten betekenen dat dezelfde logische simulatie kan worden uitgebreid naar grotere roosters zonder dat het aantal gates lineair explodeert. Ten tweede combineerden onderzoekers mid-circuit trucs voor het prepareren van verstrengelde W-toestanden, feedforward-stappen en zorgvuldig gekozen Trotter-decomposities van tijdsevolutie om late tijdstippen na de botsing te bereiken — het venster waarin deeltjesproductie en 'scattering scars' verschijnen. Die algoritmische verbeteringen maken het mogelijk om runs uit te voeren met tientallen tot enkele honderden qubits, terwijl er nog steeds fysiek betekenisvolle signalen worden geproduceerd.

Realiteiten op het apparaat: gates, ruis en mitigatie

Deze experimenten hebben de huidige supergeleidende hardware tot het uiterste gedreven: er werd melding gemaakt van runs met duizenden twee-qubit-gates en gate-dieptes in de tientallen tot lage honderden. Op die schaal zou de ruwe ruis van het apparaat het signaal overstemmen, dus pasten de teams lagen van foutmitigatietechnieken toe die zijn afgestemd op lokale observabelen. Eén benadering — foutmitigatie via marginale distributie — reconstrueert statistieken van lage orde uit ruisgevoelige metingen; andere methoden maken gebruik van extrapolatie naar nul-ruis en operator-renormalisatie. Door de gemitigeerde resultaten te valideren tegen klassieke matrix-product-toestand-simulaties op korte tot middellange tijdstippen, toonden de groepen aan dat de kwantumhardware al getrouwe momentopnamen levert van niet-evenwichtige velddynamica.

Wat er werd waargenomen — echo's van het vroege universum en dichte sterren

Hoewel de modellen lager-dimensionaal zijn, reproduceren de simulaties gedrag dat van belang is voor hoogenergetische en astrofysische contexten. De runs lieten inelastische deeltjesproductie zien — energie die verandert in nieuwe excitaties in het veld — een proces dat analoog is aan de creatie van deeltjes in hoogenergetische botsingen en, op conceptueel niveau, aan hoe een heet, dicht vroeg universum materie produceerde uit energie. In runs met rooster-ijktheorieën konden de teams een topologische parameter (een zogenaamde Θ-term) en een fermionmassa aanpassen om de dynamica na de botsing te schakelen tussen een gedelokaliseerd regime en een regime met duidelijke gelokaliseerde restanten, wat doet denken aan confinement- en snaarbrekingseffecten die in de deeltjesfysica worden bestudeerd. Dit zijn dezelfde mechanismen die de binding van quarks en deeltjesmultipliciteiten in zware-ionenbotsingen controleren en die de toestandsvergelijking binnenin neutronensterren beïnvloeden.

Waarom dit belangrijk is — en wat het nog niet kan

Klassieke methoden zijn krachtig, maar ze hebben moeite met bepaalde real-time kwantumproblemen en met dynamica die ver uit evenwicht is. Kwantumprocessors evolueren kwantumtoestanden op een natuurlijke manier, dus beloven ze een directe route naar het simuleren van tijdsafhankelijke processen die exponentieel kostbaar zijn op klassieke machines. De recente demonstraties leveren het bewijs van het principe: digitale kwantumsimulatoren kunnen interagerende golfpakketten prepareren, deze verstrooien en niet-triviale post-botsingssignaturen uitlezen die overeenkomen met klassieke voorspellingen waar deze bestaan, en die zich uitstrekken tot regimes waar klassieke benaderingen moeilijk worden.

Dat gezegd hebbende, zijn de experimenten nog geen simulaties van volledige QCD binnenin een echte neutronenster of het volledige 3D-plasma van de oerknal. De meeste runs maken gebruik van afgekapte representaties van elektrische velden, verminderde ruimtelijke dimensies of vereenvoudigde ijkgroepen. De volgende stappen zijn duidelijk: betere qubits, langere coherentie en uiteindelijk foutcorrectie, zodat circuits de volledige Hilbertruimte van driedimensionale ijktheorieën kunnen vertegenwoordigen bij fysiek relevante energieën. Hardware-roadmaps van grote leveranciers suggereren gestage vooruitgang richting grotere apparaten met minder fouten en speciale testomgevingen voor foutgecorrigeerde kwantumsimulatie in de late jaren 2020.

Vooruitblik: van snapshots naar experimenten

Vooralsnog bouwt het vakgebied aan een nieuw soort laboratorium. In plaats van detectoren rond een deeltjesversneller, stellen wetenschappers kwantumcircuits samen die de dynamica van een veld reproduceren en onderzoeken ze de output vervolgens met gerichte metingen. De onmiddellijke wetenschappelijke winst is tweeledig: ten eerste toegang tot kwalitatieve, niet-perturbatieve fenomenen in controleerbare modellen; ten tweede een snelle iteratie tussen algoritme-ontwerp en experimenten op apparaten om de hardware-software-interface te verfijnen voor werkelijk grote simulaties.

Binnen vijf tot tien jaar, als de huidige trends in algoritmecompressie, foutmitigatie en het schalen van hardware doorzetten, kunnen we kwantumsimulaties verwachten die kwantitatieve vragen beantwoorden in de hadronfysica, astrofysica van dichte materie en de dynamica van het vroege universum — niet door versnellers of telescopen te vervangen, maar door een complementaire, intrinsiek kwantumberekening te bieden op processen die anders ondoorzichtig blijven voor klassieke berekeningen.

Slotgedachte

De recente door IBM ondersteunde runs leveren nog geen digitale recreatie van de kern van een neutronenster of het volledige hete plasma van de oerknal. Wat ze wel leveren, is een technologische en conceptuele mijlpaal: kwantumprocessors kunnen nu botsingen en velddynamica na botsingen simuleren op manieren die enkele jaren geleden alleen nog maar getheoretiseerd werden, en die momentopnamen dragen al de vingerafdrukken van de complexe fysica die we associëren met de meest extreme momenten van het universum. Naarmate hardware en algoritmen verbeteren, zullen deze momentopnamen samensmelten tot langere, rijkere films van kwantummaterie onder extreme omstandigheden.