Kuantum Devreleri Maddenin Kökenine Bir Adım Daha Yaklaşıyor

Geçen haftaki yeni bir ölçeklenebilir kuantum devreleri sınıfının gösterimi, kuantum bilgisayarların yakında kozmolojinin en çetrefilli bilmecelerinden birini ele alacağına dair umutları yeniden alevlendirdi: Evrenin neden antimaddeden çok daha fazla madde içerdiği. Deney ekibi, 100'den fazla kübit üzerinde basit bir kuantum alan teorisinin düşük enerjili vakumunun nasıl hazırlanacağını gösterdi ve bu durumu, klasik makinelerde yapılması aşırı derecede zor olan dinamik simülasyonlar için bir sıçrama tahtası olarak kullandı. Bu ilerleme maddenin kökenini tek başına çözmüyor, ancak baryojenez teorilerinin gerektirdiği türden gerçek zamanlı hesaplamalara yönelik pratik bir yol sunuyor.

Çalışma, SC-ADAPT-VQE —ölçeklenebilir devreler ADAPT-VQE'nin kısaltması— olarak adlandırılan algoritmik bir çerçeveyi tanıtıyor ve bunu, süperiletken bir kuantum işlemcisinin 100 kübiti üzerinde örgü Schwinger modelinin (kuantum elektrodinamiğinin tek boyutlu bir analoğu) vakum durumunu hazırlamak için kullanıyor. Yazarlar, yerellikten ve aralıklı (gapped) temel durumlardaki korelasyonların üstel bozunumundan yararlanarak, klasik hesaplama kullanarak küçük sistemler üzerinde kompakt bir devre yapı bloğu seti oluşturuyor ve ardından çok daha büyük siciller için devreler inşa etmek üzere bu blokları döşüyorlar. Yeni bir hata giderme adımını uyguladıktan sonra, ölçülen gözlemlenebilirleri yüzde düzeyinde doğrulukla yüksek hassasiyetli klasik simülasyonlarla eşleşti.

Neden bir oyuncak model önemlidir

İlk bakışta Schwinger modeli —elektrodinamiğin 1+1 boyutlu bir versiyonu— erken evrenin tam ve karmaşık fiziğinden uzak görünebilir. Ancak model, onu yararlı bir deneme alanı haline getiren birkaç temel kuantum alan teorisi özelliğini yakalıyor: güçlü alanlardan parçacık üretimi, hapsolma (confinement) benzeri davranış ve dinamikleri topolojik ve anomali kaynaklı süreçlere duyarlı olan kiral bir kondensat. Aynı fenomenler, daha karmaşık biçimlerde, kozmik mikrodalga arka plan ışımasında ölçülen baryon fazlalığını açıklamaya çalışan birçok baryojenez senaryosunun merkezinde yer alır. Klasik yaklaşımlar gerçek zamanlı evrim ve denge dışı süreçlerle mücadele ettiği için, vakum durumunu hazırlayabilen ve evrimleştirebilen bir dijital kuantum simülasyonu önemli bir metodolojik adımdır.

Algoritma neyi değiştiriyor

İki pratik engel uzun süredir bu tür simülasyonların önünü kesiyordu. Birincisi durum hazırlamadır: Bir kuantum bilgisayarın, alan teorisi vakumunu aslına uygun olarak temsil eden düşük enerjili bir durumda nasıl başlatılacağı. İkincisi ise donanım gürültüsüdür: Mevcut kuantum cihazları gürültülüdür ve boyutları sınırlıdır. SC-ADAPT-VQE stratejisi, mütevazı örgüler üzerinde klasik simülasyon kullanarak devre parçaları tasarlayıp ardından bu parçaları daha büyük bir sicil boyunca tekrarlayarak birincisini ele alır; bu, gürültülü cihaz üzerinde pahalı varyasyonel optimizasyondan kaçınır. İkinci sorun için ekip, kusurlu kapılara rağmen fiziksel gözlemlenebilirlerin anlamlı bir şekilde çıkarılmasına izin veren, operatör dekoherans renormalizasyonu adı verilen bir hata giderme protokolü sundu. Bu teknikler birlikte, araştırmacıların örgü ayar teorileri için daha önce gösterilmemiş bir ölçekte ve sadakatte dinamiklere erişmesini sağladı.

Bunun baryojenez ile bağlantısı

Vaatler ve pratik sınırlar

Neyin yeni olduğu ve neyin henüz ulaşılamaz olduğu konusunda kesin olmak önemlidir. Schwinger modeli güçlü bir test yatağıdır ancak tam 3+1 boyutlu QCD (Kuantum Renk Dinamiği) veya eksiksiz elektrozayıf teori değildir; Standart Model'deki CP ihlalinin ayrıntılı yapısı, çok boyutlu sfaleron dinamiği ve alanların genişleyen bir kozmolojik arka plana bağlanması gibi baryojenez için önemli bileşenler henüz temsil edilmemektedir. Gerçekçi elektrozayıf veya QCD simülasyonlarına ölçek büyütmek, kat kat daha fazla kübit, daha fazla bağlanabilirlik ve en önemlisi sağlam kuantum hata düzeltme veya önemli ölçüde iyileştirilmiş hata giderme gerektirecektir. Kısacası, deney çözülmüş bir kozmolojiyi değil, yararlı bir aracı göstermektedir.

Yol Haritası: Oyuncak gösterimlerden kozmoloji düzeyinde simülasyonlara

• Daha aslına uygun ayar teorileri: Araştırmacılar aynı devre tasarımı fikirlerini, QCD ve elektrozayıf sektöre daha yakın olan yüksek boyutlu örgü ayar teorilerine ve değişmeli olmayan (non-Abelian) gruplara taşıyacaklar.
• Gerçek zamanlı, denge dışı dinamikler: Bir sonraki hedefler, asimetrileri açıkça oluşturan süreçlerin simülasyonlarıdır — örneğin, zamana bağlı CP ihlali yapan arka planlar veya faz geçişlerini taklit eden termal sönümler (quenches).
• Donanım ölçeklendirme ve hata düzeltme: Kozmoloji düzeyinde tahminlere ulaşmak, hataya dayanıklı makineler veya gürültü ve kapı sadakatinde büyük ölçekli iyileştirmeler gerektirecektir.
• Disiplinler arası doğrulama: Kuantum simülasyonlarının, fiziksel olarak ilgili rejimleri araştırdıklarından emin olmak için süreklilik yöntemleri, etkin teoriler ve parçacık ve hassas fizik deneylerinden gelen deneysel kısıtlamalarla sıkı bir şekilde karşılaştırılması gerekecektir.

Bu adımların tümü aktif araştırma alanlarıdır. Son gösterim, algoritmik yaratıcılığın —özellikle ölçeklenebilir devreler oluşturmak için fiziksel yerellikten yararlanan yöntemlerin— mevcut donanımın yeteneklerini önceden düşünülenden daha ileriye taşıyabileceğini gösteriyor. Ayrıca, ilerlemenin yinelemeli olacağının altını çiziyor: eşlemelerin ve algoritmaların teorik gelişimi, yakın vadeli cihazlarda küçük ve orta ölçekli gösterimler ve sonunda hata düzeltmeli platformlara geçiş.

Bilim insanları bunu neden önemsemeli

Bu alanı yakından izlemek için iki neden var. Birincisi, kuantum alanlarının kontrollü, temel ilkelerden (ab initio) gerçek zamanlı simülasyonlarını yürütme yeteneği, büyük ölçüde spekülatif kalmış olan pertürbatif olmayan süreçlere yeni ampirik pencereler açıyor. İkincisi, gösterilen teknikler —ölçeklenebilir devre tasarımı ve özel hata giderme— dinamiklerin önemli olduğu yoğun madde, nükleer ve malzeme problemlerine geniş ölçüde uygulanabilir. Başka bir deyişle, acil getiri metodolojiktir: fiziğin her alanında uygulanabilecek daha iyi araçlar. Uzun vadeli getiri —evrenin neden antimadde yerine maddeyi seçtiğini çözen bir ab initio kuantum simülasyonu— büyük ödül olmaya devam ediyor ve bu çalışma, o uzak hedefi somut bir adım daha yaklaştırıyor.

Şimdilik, başlık mütevazı ve hayatidir: Kuantum bilgisayarlar, bir dizi alan teorisi problemi için meraktan yetkinliğe geçti. Maddenin kökenini nihai olarak açıklayıp açıklamayacakları hala açık bir soru, ancak araştırmacılar artık bu konuyu geçiştirme argümanlar yerine kontrollü hesaplamalarla ele almak için daha net bir yola sahipler.

James Lawson, Dark Matter'da kuantum hesaplama, parçacık fiziği ve uzay sistemleri konusunda uzmanlaşmış bir bilim ve teknoloji muhabiridir. University College London'dan Bilim İletişimi alanında yüksek lisans ve Fizik alanında lisans derecesine sahiptir.