Kuantum Simülasyonları Evrenin Yapısına Benzemeye Başlıyor

Küçük kuantum makineleri, büyük kozmik hırslar

Geçtiğimiz yıl yayımlanan bir dizi makale, programlanabilir kuantum işlemcilerinin artık basit kuantum alanlarının gerçek zamanlı dinamiklerini yeniden üretebildiğini gösterdi; bu dinamikler parçacık çarpışmalarını, erken evrenin kuark-gluon çorbasını ve nötron yıldızlarının içindeki ekstrem maddeyi tanımlamak için kullanılan matematiksel modellerin aynısıdır. Bu deneyler henüz tam üç boyutlu kuantum kromodinamiğini yeniden üretmiyor, ancak kuantum donanımını niteliksel olarak yeni fenomenlerin ortaya çıktığı rejimlere taşıyan ölçeklenebilir devre tasarımlarını ve hata azaltma stratejilerini ortaya koyuyor.

Ekipler, IBM'in kuantum bulutu üzerinden sağlanan ticari süperiletken cihazlarda, isimlerini IBM filosundaki araştırma test yataklarından ve ailelerinden alan işlemcileri kullanarak saçılma deneyleri ve dalga paketi çarpışmaları gerçekleştirdiler. Bu çalışmalar düzinelerce kübitten yüzün üzerine kadar genişledi ve binlerce iki kübitli kapıya ulaşmak için dikkatle sıkıştırılmış devrelere dayandı; bu, ölçülen gözlemlenebilirlerde çarpışma sonrası fiziğin ortaya çıktığını görmek için yeterli bir uzunluktur.

Tam olarak neyi simüle ettiler?

Son çalışmalar, basitleştirilmiş ancak fiziksel olarak anlamlı modellere odaklanıyor: parçacık fiziğinin temel süreçlerini yakalayan tek boyutlu örgü ayar teorileri ve skaler alan teorileri. Bu kurulumlarda araştırmacılar, gelen parçacıkları taklit eden yerelleştirilmiş dalga paketleri hazırlar, bunları etkileşen alan Hamiltonyeni altında zaman içinde evrimleştirir ve ardından çarpışmadan sonra enerjinin, yükün ve parçacık içeriğinin nasıl yayıldığını okurlar. Sonuçlar; esnek ve esnek olmayan saçılmaları, parçacık üretimini ve çarpışma sonrası durumun modeldeki ayarlanabilir parametrelere bağlı olarak delokalize olduğu veya yerel kaldığı rejimleri içerir.

Devreleri nasıl ölçeklendirdiler?

İki teknik hamle bu deneyleri kayda değer kılıyor. İlk olarak ekipler, vakum durumlarını ve yerelleştirilmiş uyarımları basit bir dijitalleştirmenin gerektireceğinden çok daha az kapı ile temsil eden kompakt devre ansatz'ları geliştirdiler. Bu varyasyonel sıkıştırma teknikleri ve dalga paketi oluşturma rutinleri, aynı mantıksal simülasyonun kapı sayılarını doğrusal olarak patlatmadan daha büyük örgülere genişletilebileceği anlamına geliyor. İkinci olarak araştırmacılar; dolaşık W tipi durumları hazırlamak için devre ortası teknikleri, ileri besleme adımlarını ve çarpışmadan sonraki geç zamanlara —parçacık üretiminin ve saçılma izlerinin göründüğü pencereye— ulaşmak için zaman evriminin dikkatle seçilmiş Trotter ayrışımlarını birleştirdiler. Bu algoritmik iyileştirmeler, çalışmaların on ila birkaç yüz kübit kullanırken hala fiziksel olarak anlamlı sinyaller üretmesini sağlayan şeydir.

Cihaz üzerindeki gerçekler: kapılar, gürültü ve iyileştirme

Bu deneyler, günümüzün süperiletken donanımını sınırlarına kadar zorladı: çalışmalar binlerce iki kübitli kapı ve on ila düşük yüzlü seviyelerde iki kübitli kapı derinlikleri bildirdi. Bu ölçekte, ham cihaz gürültüsü sinyali yok ederdi, bu nedenle ekipler yerel gözlemlenebilirler için optimize edilmiş hata azaltma tekniklerini devreye soktular. Bir yaklaşım —marjinal dağılım hata azaltma— gürültülü ölçümlerden düşük dereceli istatistikleri yeniden oluşturur; diğerleri ise sıfır gürültü ekstrapolasyonu ve operatör renormalizasyonu kullanır. Gruplar, iyileştirilmiş sonuçları kısa ve orta zamanlarda klasik matris-ürün-durumu simülasyonlarına karşı doğrulayarak, kuantum donanımının halihazırda denge dışı alan dinamiklerinin aslına uygun anlık görüntülerini sağladığını gösterdiler.

Neler gözlemlendi — erken evrenin ve yoğun yıldızların yankıları

Modeller daha düşük boyutlu olsa da, simülasyonlar yüksek enerji ve astrofiziksel bağlamlar için önem taşıyan davranışları yeniden üretiyor. Çalışmalar, enerjinin alanda yeni uyarımlara dönüşmesi olan esnek olmayan parçacık üretimini gösterdi; bu süreç, yüksek enerjili çarpışmalardaki parçacık oluşumuna ve kavramsal düzeyde, sıcak ve yoğun bir erken evrenin enerjiden maddeyi nasıl ürettiğine benzerdir. Örgü ayar teorisi çalışmalarında ekipler, çarpışma sonrası dinamikleri delokalize bir rejim ile parçacık fiziğinde incelenen hapsolma ve sicim kırılması etkilerini anımsatan net yerelleştirilmiş kalıntıların olduğu bir rejim arasında değiştirmek için topolojik bir parametreyi (sözde Θ-terimi) ve bir fermiyon kütlesini ayarlayabildiler. Bunlar, ağır iyon çarpışmalarında kuark bağlanmasını ve parçacık çokluklarını kontrol eden ve nötron yıldızlarının içindeki durum denklemini etkileyen mekanizmaların aynısıdır.

Bu neden önemli — ve henüz neleri yapamıyor?

Klasik yöntemler güçlüdür, ancak belirli gerçek zamanlı kuantum problemleriyle ve dengeden uzak dinamiklerle mücadele ederler. Kuantum işlemcileri doğal olarak kuantum durumlarını evrimleştirir, bu nedenle klasik makinelerde katlanarak maliyetli olan zamana bağlı süreçleri simüle etmek için doğrudan bir yol vaat ederler. Son gösteriler bir ilke kanıtı sunuyor: dijital kuantum simülatörleri etkileşen dalga paketlerini hazırlayabilir, bunları saçabilir ve klasik tahminlerin mevcut olduğu yerlerde onlarla uyumlu olan ve klasik yaklaşımların zorlaştığı rejimlere uzanan önemsiz çarpışma sonrası imzaları okuyabilir.

Bununla birlikte, deneyler henüz gerçek bir nötron yıldızı içindeki tam QCD'nin veya tam 3 boyutlu Büyük Patlama plazmasının simülasyonları değildir. Çoğu çalışma, kesilmiş elektrik alanı temsilleri, azaltılmış uzaysal boyutlar veya basitleştirilmiş ayar grupları kullanır. Sonraki adımlar bellidir: daha iyi kübitler, daha uzun eşuyumluluk ve nihayetinde hata düzeltme; böylece devreler, fiziksel olarak ilgili enerjilerde üç boyutlu ayar teorilerinin tam Hilbert uzayını temsil edebilir. Büyük tedarikçilerin donanım yol haritaları, 2020'lerin sonlarına doğru daha büyük, daha düşük hatalı cihazlara ve hata düzeltmeli kuantum simülasyonu için özel test yataklarına doğru istikrarlı bir ilerleme öngörüyor.

Görünüm: anlık görüntülerden deneylere

Şu an için alan, yeni bir tür laboratuvar inşa ediyor. Bilim insanları, bir çarpıştırıcıyı çevreleyen dedektörler yerine, bir alanın dinamiklerini yeniden üreten kuantum devreleri kuruyor ve ardından çıktıyı hedeflenmiş ölçümlerle araştırıyorlar. Hemen elde edilecek bilimsel kazanımlar iki yönlüdür: birincisi, kontrol edilebilir modellerde niteliksel, pertürbatif olmayan fenomenlere erişim; ikincisi, gerçekten büyük simülasyonlar için donanım-yazılım arayüzünü geliştirmek amacıyla algoritma tasarımı ve cihaz deneyleri arasında hızlı yineleme.

Önümüzdeki beş ila on yıl içinde, algoritma sıkıştırma, hata azaltma ve donanım ölçeklendirmedeki mevcut eğilimler devam ederse, hadron fiziği, yoğun madde astrofiziği ve erken evren dinamiklerindeki nicel soruları aydınlatan kuantum simülasyonları beklemeliyiz — bu simülasyonlar hızlandırıcıların veya teleskopların yerini alarak değil, klasik hesaplama için aksi takdirde opak olan süreçlere tamamlayıcı, özünde kuantum bir bakış açısı sunarak bunu yapacaktır.

Son düşünce

IBM destekli son çalışmalar, henüz bir nötron yıldızı çekirdeğinin veya Büyük Patlama'nın tüm sıcak plazmasının dijital bir yeniden üretimini sunmuyor. Sundukları şey teknolojik ve kavramsal bir dönüm noktasıdır: kuantum işlemciler artık çarpışmaları ve çarpışma sonrası alan dinamiklerini sadece birkaç yıl önce teorize edilen şekillerde simüle edebiliyor ve bu anlık görüntüler, evrenin en ekstrem anlarıyla ilişkilendirdiğimiz karmaşık fiziğin parmak izlerini zaten taşıyor. Donanım ve algoritmalar geliştikçe, bu anlık görüntüler ekstrem koşullar altındaki kuantum maddesinin daha uzun ve daha zengin videoları haline gelecektir.