Obwody kwantowe przybliżają nas do zagadki pochodzenia materii

Zeszłotygodniowa demonstracja nowej klasy skalowalnych obwodów kwantowych ożywiła nadzieje na to, że komputery kwantowe wkrótce zmierzą się z jedną z najtrudniejszych zagadek kosmologii: dlaczego wszechświat zawiera znacznie więcej materii niż antymaterii. Zespół eksperymentalny pokazał, jak przygotować niskoenergetyczną próżnię prostej kwantowej teorii pola na ponad 100 kubitach i wykorzystał ten stan jako punkt wyjścia do symulacji dynamicznych, które są zbyt trudne dla klasycznych maszyn. Ten postęp sam w sobie nie rozwiązuje zagadki pochodzenia materii, ale wyznacza praktyczną ścieżkę ku obliczeniom w czasie rzeczywistym, których wymagają teorie bariogenezy.

Praca wprowadza strukturę algorytmiczną o nazwie SC-ADAPT-VQE — skrót od scalable circuits ADAPT-VQE — i wykorzystuje ją do przygotowania stanu próżni sieciowego modelu Schwingera (jednowymiarowego odpowiednika elektrodynamiki kwantowej) na 100 kubitach nadprzewodzącego procesora kwantowego. Wykorzystując lokalność oraz wykładniczy zanik korelacji w stanach podstawowych z przerwą energetyczną (gapped ground states), autorzy budują kompaktowy zestaw bloków konstrukcyjnych obwodów na małych układach przy użyciu obliczeń klasycznych, a następnie powielają te bloki, aby skonstruować obwody dla znacznie większych rejestrów. Po zastosowaniu nowatorskiego kroku łagodzenia błędów, zmierzone przez nich wartości obserwowalne zgadzały się z precyzyjnymi symulacjami klasycznymi z dokładnością do jednego procenta.

Dlaczego uproszczony model ma znaczenie

Na pierwszy rzut oka model Schwingera — 1+1-wymiarowa wersja elektrodynamiki — wydaje się odległy od pełnej, złożonej fizyki wczesnego wszechświata. Jednak oddaje on kilka istotnych cech kwantowej teorii pola, które czynią go użytecznym poligonem doświadczalnym: produkcję cząstek z silnych pól, zjawiska typu uwięzienia (confinement) oraz kondensat chiralny, którego dynamika jest wrażliwa na procesy topologiczne i napędzane anomaliami. Te same zjawiska, w bardziej skomplikowanych formach, zajmują centralne miejsce w wielu scenariuszach bariogenezy, które próbują wyjaśnić niewielki nadmiar barionów zmierzony w mikrofalowym promieniowaniu tła. Ponieważ klasyczne podejścia mają trudności z ewolucją w czasie rzeczywistym i procesami nierównowagowymi, cyfrowa symulacja kwantowa zdolna do przygotowania i ewolucji stanu próżni stanowi znaczący krok metodologiczny.

Co zmienia algorytm

Dwie praktyczne przeszkody od dawna blokowały takie symulacje. Pierwszą jest przygotowanie stanu: jak zainicjować komputer kwantowy w stanie niskoenergetycznym, który wiernie reprezentuje próżnię teorii pola. Drugą jest szum sprzętowy: obecne urządzenia kwantowe są szumne i mają ograniczoną skalę. Strategia SC-ADAPT-VQE rozwiązuje pierwszy problem, projektując fragmenty obwodów za pomocą klasycznej symulacji na skromnych sieciach, a następnie powtarzając te fragmenty w większym rejestrze; pozwala to uniknąć kosztownej optymalizacji wariacyjnej na szumnym urządzeniu. W przypadku drugiego problemu zespół wprowadził protokół łagodzenia błędów zwany renormalizacją dekoherencji operatora (operator decoherence renormalization), który pozwala na sensowne wyodrębnienie fizycznych obserwowalnych mimo niedoskonałych bramek. Łącznie techniki te pozwoliły badaczom uzyskać dostęp do dynamiki w skali i z wiernością, których wcześniej nie demonstrowano dla sieciowych teorii cechowania.

Jak to się łączy z bariogenezą

Obietnice i praktyczne ograniczenia

Ważne jest, aby precyzyjnie określić, co jest nowością, a co pozostaje poza zasięgiem. Model Schwingera jest potężnym środowiskiem testowym, ale nie jest pełną 3+1-wymiarową chromodynamiką kwantową (QCD) ani kompletną teorią elektrosłabą; ważne składniki bariogenezy — takie jak szczegółowa struktura łamania symetrii CP w Modelu Standardowym, wielowymiarowa dynamika sfaleronów czy sprzężenie pól z rozszerzającym się tłem kosmologicznym — nie są jeszcze uwzględnione. Skalowanie do realistycznych symulacji elektrosłabych lub QCD będzie wymagało rzędów wielkości więcej kubitów, lepszej łączności, a co najważniejsze, solidnej kwantowej korekcji błędów lub radykalnie poprawionego łagodzenia błędów. Krótko mówiąc, eksperyment demonstruje użyteczne narzędzie, a nie rozwiązaną zagadkę kosmologiczną.

Mapa drogowa: od uproszczonych demonstracji do symulacji klasy kosmologicznej

• Bardziej wierne teorie cechowania: badacze będą przenosić te same idee projektowania obwodów do wyżej wymiarowych sieciowych teorii cechowania i grup nieabelowych, które są bliższe QCD i sektorowi elektrosłabemu.
• Dynamika w czasie rzeczywistym i stany nierównowagowe: kolejnymi celami są symulacje procesów, które bezpośrednio generują asymetrie — na przykład zależne od czasu tła łamiące symetrię CP lub quenche termiczne naśladujące przejścia fazowe.
• Skalowanie sprzętu i korekcja błędów: osiągnięcie przewidywań klasy kosmologicznej będzie wymagało maszyn odpornych na błędy (fault-tolerant) lub wielokrotnej poprawy poziomu szumów i wierności bramek.
• Walidacja interdyscyplinarna: symulacje kwantowe będą wymagały ścisłego porównania z metodami kontinuum, teoriami efektywnymi oraz ograniczeniami eksperymentalnymi z fizyki cząstek i fizyki precyzyjnej, aby upewnić się, że badają fizycznie istotne reżimy.

Wszystkie te kroki są aktywnymi obszarami badań. Niedawna demonstracja pokazuje, że kreatywność algorytmiczna — w szczególności metody wykorzystujące fizyczną lokalność do budowy skalowalnych obwodów — może przesunąć możliwości obecnego sprzętu dalej, niż wcześniej sądzono. Podkreśla ona również, że postęp będzie iteracyjny: od teoretycznego opracowywania odwzorowań i algorytmów, przez demonstracje w małej i średniej skali na obecnych urządzeniach, aż po ostateczną migrację na platformy z korekcją błędów.

Dlaczego naukowcy powinni się tym interesować

Istnieją dwa powody, by uważnie śledzić ten obszar. Po pierwsze, możliwość przeprowadzania kontrolowanych, opartych na podstawach (first-principles) symulacji pól kwantowych w czasie rzeczywistym otwiera nowe empiryczne okna na procesy nieperturbacyjne, które do tej pory były w dużej mierze spekulatywne. Po drugie, zademonstrowane techniki — skalowalne projektowanie obwodów i dopasowane łagodzenie błędów — mają szerokie zastosowanie w fizyce materii skondensowanej, fizyce jądrowej i inżynierii materiałowej, gdzie dynamika ma kluczowe znaczenie. Innymi słowy, natychmiastowa korzyść jest metodologiczna: to lepsze narzędzia, które można stosować w całej fizyce. Długoterminowa nagroda — symulacja kwantowa ab initio, która rozstrzygnie, jak wszechświat wybrał materię zamiast antymaterii — pozostaje głównym celem, a ta praca przybliża nas do niego o namacalny krok.

Na razie przekaz jest skromny, ale istotny: komputery kwantowe przeszły od etapu ciekawostki do etapu kompetencji w pewnej klasie problemów teorii pola. Czy ostatecznie wyjaśnią pochodzenie materii, pozostaje pytaniem otwartym, ale badacze mają teraz wyraźniejszą ścieżkę, by zmierzyć się z tym za pomocą kontrolowanych obliczeń, a nie tylko ogólnych argumentów.

James Lawson jest reporterem naukowym i technologicznym w Dark Matter, specjalizującym się w obliczeniach kwantowych, fizyce cząstek i systemach kosmicznych. Posiada tytuł magistra komunikacji naukowej oraz licencjata fizyki uzyskany na University College London.