Kvantkretsar närmar sig materiens ursprung

Förra veckans demonstration av en ny klass av skalbara kvantkretsar har på nytt väckt hoppet om att kvantdatorer snart ska kunna ta sig an en av kosmologins svåraste gåtor: varför universum innehåller betydligt mer materia än antimateria. Forskarlaget visade hur man preparerar lågenergivakuumet i en enkel kvantfältsteori på fler än 100 qubitar och använde det tillståndet som en språngbräda för dynamiska simuleringar som är oöverkomligt svåra för klassiska maskiner. Detta framsteg löser inte materians ursprung i sig, men det erbjuder en praktisk väg mot de typer av realtidsberäkningar som teorier om baryogenes kräver.

Arbetet introducerar ett algoritmiskt ramverk kallat SC-ADAPT-VQE – en förkortning för skalbara kretsar ADAPT-VQE – och använder det för att preparera vakuumtillståndet för Schwinger-gittermodellen (en endimensionell analog till kvantelektrodynamik) på 100 qubitar i en supraledande kvantprocessor. Genom att utnyttja lokalitet och det exponentiella avtagandet av korrelationer i grundtillstånd med energigap, bygger författarna en kompakt uppsättning av kretsbyggblock på små system med hjälp av klassiska beräkningar, för att sedan sammanfoga dessa block för att konstruera kretsar för betydligt större register. Efter att ha tillämpat ett nytt steg för felreducering matchade deras uppmätta observabler högprecisionssimuleringar på klassiska datorer med en noggrannhet på procentnivå.

Varför en leksaksmodell spelar roll

Vid en första anblick kan Schwinger-modellen – en 1+1-dimensionell version av elektrodynamik – verka avlägsen från den tidiga universums komplexa fysik. Men den fångar flera väsentliga drag hos kvantfältsteori som gör den till ett användbart testfält: partikelproduktion från starka fält, fenomen som liknar "confinement" (instängning) och ett kiralt kondensat vars dynamik är känslig för topologiska och anomalidrivna processer. Samma fenomen är, i mer komplicerade former, centrala för många scenarier inom baryogenes som försöker förklara det lilla överskott av baryoner som uppmätts i den kosmiska bakgrundsstrålningen. Eftersom klassiska metoder kämpar med realtidsutveckling och processer utanför jämvikt, är en digital kvantsimulering som kan preparera och utveckla vakuumtillståndet ett betydande metodologiskt steg.

Vad algoritmen förändrar

Två praktiska hinder har länge stått i vägen för sådana simuleringar. Det första är tillståndspreparering: hur man initierar en kvantdator i ett lågenergitillstånd som troget representerar fältteorins vakuum. Det andra är hårdvarubrus: nuvarande kvantmaskiner är brusiga och begränsade i storlek. SC-ADAPT-VQE-strategin tacklar det första genom att designa kretsfragment med hjälp av klassisk simulering på anspråkslösa gitter och sedan repetera dessa fragment över ett större register; detta undviker kostsam variationell optimering på den brusiga enheten. För det andra problemet introducerade teamet ett protokoll för felreducering kallat "operator decoherence renormalization", vilket möjliggör meningsfull utvinning av fysikaliska observabler trots ofullkomliga grindar. Tillsammans låter dessa tekniker forskarna få tillgång till dynamik på en skala och med en fidelitet som inte tidigare demonstrerats för gittermätteorier.

Hur detta kopplar till baryogenes

Löften och praktiska begränsningar

Det är viktigt att vara precis med vad som är nytt och vad som förblir utom räckhåll. Schwinger-modellen är en kraftfull testbädd, men det är inte fullständig 3+1-dimensionell QCD eller den kompletta elektrosvaga teorin; viktiga ingredienser för baryogenes – såsom den detaljerade strukturen för CP-brott i standardmodellen, flerdimensionell sfaleron-dynamik och kopplingen av fält till en expanderande kosmologisk bakgrund – är ännu inte representerade. Att skala upp till realistiska elektrosvaga simuleringar eller QCD-simuleringar kommer att kräva storleksordningar fler qubitar, bättre konnektivitet och, viktigast av allt, robust kvantfelkorrigering eller dramatiskt förbättrad felreducering. Kort sagt demonstrerar experimentet ett användbart verktyg, inte en löst kosmologisk gåta.

Vägkarta: från demonstrationer till simuleringar i kosmologiklass

• Mer verklighetstrogna mätteorier: forskare kommer att driva samma idéer för kretsdesign mot högre-dimensionella gittermätteorier och icke-abelska grupper, vilka ligger närmare QCD och den elektrosvaga sektorn.
• Realtidsdynamik utanför jämvikt: nästa mål är simuleringar av processer som explicit genererar asymmetrier – till exempel tidsberoende CP-brytande bakgrunder eller termiska "quenschar" som efterliknar fasövergångar.
• Hårdvaruskalning och felkorrigering: för att nå förutsägelser i kosmologiklass krävs feltoleranta maskiner eller förbättringar i brusnivåer och grind-fidelitet med flera storleksordningar.
• Tvärvetenskaplig validering: kvantsimuleringar kommer att behöva noggranna jämförelser med kontinuum-metoder, effektiva teorier och experimentella begränsningar från partikel- och precisionsfysik för att säkerställa att de undersöker fysikaliskt relevanta regimer.

Alla dessa steg är aktiva forskningsområden. Den nyligen genomförda demonstrationen visar att algoritmisk kreativitet – särskilt metoder som utnyttjar fysikalisk lokalitet för att bygga skalbara kretsar – kan sträcka ut förmågan hos nuvarande hårdvara längre än man tidigare trott. Det understryker också att framstegen kommer att vara iterativa: teoretisk utveckling av mappningar och algoritmer, små- och medelskaliga demonstrationer på dagens enheter, och slutligen migrering till felkorrigerade plattformar.

Varför forskare bör bry sig

Det finns två anledningar till att bevaka detta område noga. För det första öppnar förmågan att köra kontrollerade, fundamentala realtidssimuleringar av kvantfält nya empiriska fönster mot icke-perturbativa processer som tidigare till stor del varit spekulativa. För det andra är de tekniker som demonstrerats – skalbar kretsdesign och skräddarsydd felreducering – allmänt tillämpbara på problem inom kondenserad materia, kärnfysik och materialvetenskap där dynamik är avgörande. Med andra ord är den omedelbara vinsten metodologisk: bättre verktyg som kan appliceras över hela fysiken. Den långsiktiga vinsten – en ab initio kvantsimulering som fastställer hur universum valde materia framför antimateria – förblir det stora målet, och detta arbete för det avlägsna målet ett märkbart steg närmare.

För närvarande är rubriken anspråkslös men livsviktig: kvantdatorer har rört sig från kuriositeter till kompetens för en klass av fältteoretiska problem. Huruvida de slutligen kommer att förklara materians ursprung är fortfarande en öppen fråga, men forskare har nu en tydligare väg för att adressera den med kontrollerade beräkningar snarare än vaga argument.

James Lawson är vetenskaps- och teknikreporter på Dark Matter, specialiserad på kvantdatorer, partikelfysik och rymdsystem. Han har en MSc i vetenskapskommunikation och en BSc i fysik från University College London.