Symulacje kwantowe zaczynają odzwierciedlać wszechświat

Małe maszyny kwantowe, wielkie kosmiczne ambicje

W ciągu ostatniego roku fala publikacji naukowych wykazała, że programowalne procesory kwantowe potrafią już odwzorowywać dynamikę prostych pól kwantowych w czasie rzeczywistym — tę samą matematykę, która służy do opisu kolizji cząstek, zupy kwarkowo-gluonowej wczesnego wszechświata oraz ekstremalnej materii wewnątrz gwiazd neutronowych. Eksperymenty te nie odtwarzają jeszcze pełnej trójwymiarowej chromodynamiki kwantowej, ale demonstrują skalowalne projekty układów i strategie mitygacji błędów, które wprowadzają sprzęt kwantowy w obszary, gdzie pojawiają się jakościowo nowe zjawiska.

Zespoły badawcze przeprowadziły eksperymenty rozproszeniowe i kolizje pakietów falowych na komercyjnych urządzeniach nadprzewodzących udostępnionych w ramach kwantowej chmury IBM, wykorzystując procesory nazwane na cześć stanowisk badawczych i rodzin floty IBM. Próby te obejmowały od kilkudziesięciu do ponad stu kubitów i opierały się na starannie skompresowanych obwodach, aby osiągnąć tysiące bramek dwukubitowych — co jest czasem wystarczającym, by w mierzonych obserwabliach dostrzec fizykę wyłaniającą się po kolizji.

Co dokładnie symulowano?

Ostatnie wysiłki koncentrują się na uproszczonych, ale znaczących fizycznie modelach: jednowymiarowych sieciowych teoriach cechowania i skalarnych teoriach pola, które oddają kluczowe procesy fizyki cząstek elementarnych. W tych konfiguracjach naukowcy przygotowują zlokalizowane pakiety falowe naśladujące nadlatujące cząstki, poddają je ewolucji czasowej pod wpływem hamiltonianu oddziałującego pola, a następnie odczytują, jak energia, ładunek i zawartość cząstek rozprzestrzeniają się po zderzeniu. Wyniki obejmują rozpraszanie elastyczne i nieelastyczne, produkcję cząstek oraz reżimy, w których stan po kolizji ulega delokalizacji lub pozostaje zlokalizowany w zależności od przestrajalnych parametrów modelu.

Jak sprawili, że układy są skalowalne?

Dwa posunięcia techniczne sprawiają, że eksperymenty te zasługują na uwagę. Po pierwsze, zespoły opracowały kompaktowe ansätze układów, które reprezentują stany próżni i zlokalizowane wzbudzenia przy użyciu znacznie mniejszej liczby bramek, niż wymagałaby tego naiwna dygitalizacja. Te techniki wariacyjnej kompresji i rutyny tworzenia pakietów falowych oznaczają, że tę samą symulację logiczną można rozciągnąć na większe sieci bez liniowego wzrostu liczby bramek. Po drugie, badacze połączyli techniki typu „mid-circuit” do przygotowania splątanych stanów typu W, kroki sprzężenia w przód (feedforward) oraz starannie dobrane dekompozycje Trottera ewolucji czasowej, aby dotrzeć do późnych czasów po kolizji — okna, w którym pojawiają się sygnatury produkcji cząstek i blizny rozproszeniowe. To właśnie te ulepszenia algorytmiczne pozwoliły na przeprowadzenie obliczeń na dziesiątkach i setkach kubitów przy zachowaniu fizycznie istotnych sygnałów.

Realia sprzętowe: bramki, szum i mitygacja

Eksperymenty te przesunęły granice współczesnego nadprzewodzącego sprzętu kwantowego: raportowano wykorzystanie tysięcy bramek dwukubitowych i głębokość obwodów dwukubitowych rzędu od kilkudziesięciu do ponad stu warstw. W tej skali surowy szum urządzenia całkowicie zatarłby sygnał, dlatego zespoły zastosowały warstwowe techniki mitygacji błędów dostrojone do lokalnych obserwabli. Jedno z podejść — mitygacja błędów rozkładu brzegowego — rekonstruuje statystyki niskiego rzędu z zaszumionych pomiarów; inne wykorzystują ekstrapolację do zerowego szumu i renormalizację operatorów. Walidując zmitygowane wyniki względem klasycznych symulacji stanów produktów macierzowych (MPS) w krótkich i średnich przedziałach czasu, grupy badawcze wykazały, że sprzęt kwantowy już teraz dostarcza wiarygodnych migawek nierównowagowej dynamiki pola.

Co zaobserwowano — echa wczesnego wszechświata i gęstych gwiazd

Chociaż modele mają mniej wymiarów, symulacje odtwarzają zachowania istotne dla kontekstów wysokich energii i astrofizyki. Próby wykazały nieelastyczną produkcję cząstek — energię zamieniającą się w nowe wzbudzenia w polu — proces analogiczny do tworzenia cząstek w kolizjach wysokich energii oraz, na poziomie koncepcyjnym, do sposobu, w jaki gorący i gęsty wczesny wszechświat wytworzył materię z energii. W symulacjach sieciowej teorii cechowania zespoły mogły dostrajać parametr topologiczny (tzw. wyraz Θ) i masę fermionów, aby przełączać dynamikę po kolizji między reżimem delokalizacji a reżimem z wyraźnymi zlokalizowanymi pozostałościami, co przypomina efekty uwięzienia i zrywania strun badane w fizyce cząstek. Są to te same mechanizmy, które kontrolują wiązanie kwarków i krotność cząstek w kolizjach ciężkich jonów oraz wpływają na równanie stanu wewnątrz gwiazd neutronowych.

Dlaczego to ma znaczenie — i czego jeszcze nie potrafi

Metody klasyczne są potężne, ale radzą sobie z trudnością z niektórymi problemami kwantowymi w czasie rzeczywistym i z dynamiką daleką od stanu równowagi. Procesory kwantowe w naturalny sposób ewoluują stany kwantowe, więc obiecują bezpośrednią ścieżkę do symulowania procesów zależnych od czasu, które są wykładniczo kosztowne dla maszyn klasycznych. Ostatnie demonstracje stanowią dowód koncepcji: cyfrowe symulatory kwantowe mogą przygotowywać oddziałujące pakiety falowe, rozpraszać je i odczytywać nietrywialne sygnatury po kolizji, które są zgodne z przewidywaniami klasycznymi tam, gdzie one istnieją, i wykraczają w obszary, w których klasyczne przybliżenia stają się trudne.

Mimo to, eksperymenty te nie są jeszcze symulacjami pełnej QCD wewnątrz prawdziwej gwiazdy neutronowej ani pełnej trójwymiarowej plazmy Wielkiego Wybuchu. Większość prób wykorzystuje skrócone reprezentacje pola elektrycznego, zredukowane wymiary przestrzenne lub uproszczone grupy cechowania. Kolejne kroki są jasne: lepsze kubity, dłuższa koherencja, a ostatecznie korekcja błędów, aby układy mogły reprezentować pełną przestrzeń Hilberta trójwymiarowych teorii cechowania przy energiach istotnych fizycznie. Mapy drogowe rozwoju sprzętu od głównych dostawców sugerują stały postęp w kierunku większych urządzeń o niższym poziomie błędu oraz dedykowanych stanowisk do korekcji błędów w symulacjach kwantowych pod koniec lat 20. XXI wieku.

Perspektywy: od migawek do eksperymentów

Obecnie dziedzina ta buduje nowy rodzaj laboratorium. Zamiast detektorów otaczających akcelerator, naukowcy zszywają obwody kwantowe, które odtwarzają dynamikę pola, a następnie badają wyniki za pomocą celowanych pomiarów. Natychmiastowe korzyści naukowe są dwutorowe: po pierwsze, dostęp do jakościowych, nieperturbacyjnych zjawisk w kontrolowanych modelach; po drugie, szybka iteracja między projektowaniem algorytmów a eksperymentami na urządzeniach w celu dopracowania interfejsu sprzętowo-programowego dla prawdziwie wielkoskalowych symulacji.

W ciągu pięciu do dziesięciu lat, jeśli utrzymają się obecne trendy w kompresji algorytmów, mitygacji błędów i skalowaniu sprzętu, powinniśmy spodziewać się, że symulacje kwantowe zaczną dostarczać odpowiedzi na ilościowe pytania w fizyce hadronów, astrofizyce materii gęstej i dynamice wczesnego wszechświata — nie poprzez zastąpienie akceleratorów czy teleskopów, ale oferując komplementarne, rdzennie kwantowe spojrzenie na procesy, które w przeciwnym razie są nieprzejrzyste dla obliczeń klasycznych.

Myśl końcowa

Ostatnie eksperymenty wspierane przez IBM nie dostarczają jeszcze cyfrowej rekonstrukcji jądra gwiazdy neutronowej ani całej gorącej plazmy Wielkiego Wybuchu. Dostarczają jednak technologiczny i koncepcyjny kamień milowy: procesory kwantowe mogą teraz symulować kolizje i dynamikę pola po zderzeniu w sposób, który jeszcze kilka lat temu był jedynie teorią, a te migawki już niosą w sobie odciski palców złożonej fizyki, którą kojarzymy z najbardziej ekstremalnymi momentami wszechświata. W miarę doskonalenia sprzętu i algorytmów, te migawki połączą się w dłuższe, bogatsze filmy przedstawiające materię kwantową w ekstremalnych warunkach.