Un gruppo di scienziati del Fermilab del Dipartimento dell'Energia ha scoperto come utilizzare l'informatica quantistica per simulare le interazioni fondamentali che tengono insieme il nostro universo.

In un articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , I ricercatori del Fermilab colmano una notevole lacuna nella modellazione del mondo subatomico utilizzando computer quantistici, rivolgendosi a una famiglia di particelle che, fino a poco tempo fa, è stato relativamente trascurato nelle simulazioni quantistiche.

Le particelle fondamentali che compongono il nostro universo possono essere divise in due gruppi:particelle chiamate fermioni, quali sono gli elementi costitutivi della materia, e particelle chiamate bosoni, che sono particelle di campo e trascinano le particelle di materia.

Negli ultimi anni, gli scienziati hanno sviluppato con successo algoritmi quantistici per calcolare sistemi fatti di fermioni. Ma hanno avuto difficoltà a fare lo stesso con i sistemi bosonici.

Per la prima volta, Lo scienziato del Fermilab Alexandru Macridin ha trovato un modo per modellare sistemi contenenti sia fermioni che bosoni su computer quantistici generici, aprendo una porta a simulazioni realistiche del regno subatomico. Il suo lavoro fa parte del programma di scienza quantistica del Fermilab.

"La rappresentazione dei bosoni nell'informatica quantistica non è mai stata affrontata molto bene in letteratura prima, " ha detto Macridin. "Il nostro metodo ha funzionato, e meglio di quanto ci aspettassimo."

La relativa oscurità dei bosoni nella letteratura sull'informatica quantistica ha a che fare in parte con i bosoni stessi e in parte con il modo in cui si è evoluta la ricerca sull'informatica quantistica.

Nell'ultima decade, lo sviluppo di algoritmi quantistici si è concentrato fortemente sulla simulazione di sistemi puramente fermionici, come le molecole nella chimica quantistica.

"Ma nella fisica delle alte energie, abbiamo anche bosoni, e i fisici delle alte energie sono particolarmente interessati alle interazioni tra bosoni e fermioni, ", ha detto lo scienziato del Fermilab Jim Amundson, un coautore del documento Physical Review Letters. "Quindi abbiamo preso i modelli fermionici esistenti e li abbiamo estesi per includere i bosoni, e lo abbiamo fatto in un modo nuovo".

La più grande barriera alla modellazione dei bosoni è correlata alle proprietà di un qubit:un bit quantistico.

Mappare gli stati

Un qubit ha due stati:uno e zero.

Allo stesso modo, uno stato fermionico ha due modi distinti:occupato e non occupato.

La proprietà a due stati del qubit significa che può rappresentare uno stato di fermione in modo abbastanza semplice:uno stato di qubit è assegnato a "occupato, " e l'altro, "disoccupato."

(Potresti ricordare qualcosa sull'occupazione degli stati della chimica del liceo:gli orbitali elettronici di un atomo possono essere occupati ciascuno da un massimo di un elettrone. Quindi sono occupati o meno. Quegli orbitali, a sua volta, si combinano per formare i gusci di elettroni che circondano il nucleo.)

La mappatura uno a uno tra lo stato del qubit e lo stato del fermione rende facile determinare il numero di qubit necessari per simulare un processo fermionico. Se hai a che fare con un sistema di 40 stati fermionici, come una molecola con 40 orbitali, avrai bisogno di 40 qubit per rappresentarlo.

In una simulazione quantistica, un ricercatore imposta qubit per rappresentare lo stato iniziale di, dire, un processo molecolare Quindi i qubit vengono manipolati secondo un algoritmo che riflette come si evolve quel processo.

I processi più complessi richiedono un numero maggiore di qubit. Man mano che il numero cresce, così fa la potenza di calcolo necessaria per realizzarlo. Ma anche con solo una manciata di qubit a disposizione, i ricercatori sono in grado di affrontare alcuni problemi interessanti relativi ai processi fermionici.

"C'è una teoria ben sviluppata su come mappare i fermioni sui qubit, ", ha affermato il teorico del Fermilab Roni Harnik, un coautore del documento.

bosoni, particelle di forza della natura, sono un'altra storia. L'attività di mapparli si complica rapidamente. Questo è in parte perché, a differenza del ristretto, stato fermionico a due scelte, gli stati bosonici sono molto accomodanti.

bosoni accomodanti

Poiché solo un fermione può occupare un particolare stato quantistico fermionico, quello stato è occupato o no, uno o zero.

In contrasto, uno stato bosone può essere variamente occupato, accomodante un bosone, un miliardo di bosoni, o qualsiasi cosa nel mezzo. Ciò rende difficile mappare i bosoni sui qubit. Con solo due possibili stati, un singolo qubit non può, da solo, rappresentano uno stato bosone.

Con bosoni, la questione non è se il qubit rappresenta uno stato occupato o non occupato, ma piuttosto, quanti qubit sono necessari per rappresentare lo stato del bosone.

"Gli scienziati hanno escogitato modi per codificare i bosoni in qubit che richiederebbero un gran numero di qubit per fornire risultati accurati, " ha detto Amundson.

Un numero proibitivo, in molti casi. Con alcuni metodi, una simulazione utile richiederebbe milioni di qubit per modellare fedelmente un processo bosone, come la trasformazione di una particella che alla fine produce una particella di luce, che è un tipo di bosone.

E questo è solo nel rappresentare la configurazione iniziale del processo, figuriamoci lasciarlo evolvere.

La soluzione di Macridin era di riformulare il sistema bosonico come qualcos'altro, qualcosa di molto familiare ai fisici:un oscillatore armonico.

Gli oscillatori armonici sono ovunque in natura, dalla scala subatomica a quella astronomica. La vibrazione delle molecole, l'impulso di corrente attraverso un circuito, il su e giù di una molla carica, il moto di un pianeta intorno a una stella:sono tutti oscillatori armonici. Anche le particelle bosoniche, come quelli che Macridin sembrava simulare, possono essere trattati come minuscoli oscillatori armonici. Grazie alla loro ubiquità, gli oscillatori armonici sono ben compresi e possono essere modellati con precisione.

Con un background nella fisica della materia condensata - lo studio della natura a un paio di tacche dalla sua fondazione particellare - Macridin aveva familiarità con la modellazione degli oscillatori armonici nei cristalli. Ha trovato un modo per rappresentare un oscillatore armonico su un computer quantistico, mappare tali sistemi in qubit con una precisione eccezionale e consentire la simulazione precisa dei bosoni sui computer quantistici.

E a un basso costo di qubit:rappresentare un oscillatore armonico discreto su un computer quantistico richiede solo pochi qubit, anche se l'oscillatore rappresenta un gran numero di bosoni.

"Il nostro metodo richiede un numero relativamente piccolo di qubit per gli stati dei bosoni, esponenzialmente più piccolo di quanto proposto in precedenza da altri gruppi, " ha detto Macridin. "Per altri metodi per fare la stessa cosa, probabilmente avrebbero bisogno di ordini di grandezza per un numero maggiore di qubit."

Macridin stima che sei qubit per stato bosone siano sufficienti per esplorare interessanti problemi di fisica.

Successo della simulazione

Come prova del metodo di mappatura di Macridin, il gruppo del Fermilab ha sfruttato per la prima volta la teoria quantistica dei campi, una branca della fisica che si concentra sulla modellazione delle strutture subatomiche. Hanno modellato con successo l'interazione degli elettroni in un cristallo con le vibrazioni degli atomi che formano il cristallo. L'"unità" di quella vibrazione è un bosone chiamato fonone.

Utilizzando un simulatore quantistico presso il vicino Argonne National Laboratory, hanno modellato il sistema elettrone-fonone e, voilà!, hanno dimostrato di poter calcolare, con elevata precisione, le proprietà del sistema utilizzando solo circa 20 qubit. Il simulatore è un computer classico che simula come un computer quantistico, fino a 35 qubit, lavori. I ricercatori di Argonne sfruttano il simulatore e la loro esperienza in algoritmi scalabili per esplorare il potenziale impatto dell'informatica quantistica in aree chiave come la chimica quantistica e i materiali quantistici.

"Abbiamo dimostrato che la tecnica ha funzionato, " ha detto Harnik.

Hanno inoltre dimostrato che, rappresentando i bosoni come oscillatori armonici, si potrebbero descrivere in modo efficiente e accurato sistemi che coinvolgono interazioni fermione-bosone.

"Si è rivelato essere una buona misura, " ha detto Amundson.

"Ho iniziato con un'idea, e non ha funzionato, allora ho cambiato la rappresentazione dei bosoni, " ha detto Macridin. "E ha funzionato bene. Rende la simulazione di sistemi fermione-bosone fattibile per i computer quantistici a breve termine".

Applicazione universale

La simulazione del gruppo Fermilab non è la prima volta che gli scienziati hanno modellato bosoni nei computer quantistici. Ma negli altri casi, gli scienziati hanno utilizzato hardware specificamente progettato per simulare i bosoni, quindi l'evoluzione simulata di un sistema di bosoni avverrebbe naturalmente, per così dire, su quei computer speciali.

L'approccio del gruppo Fermilab è il primo che può essere efficacemente applicato in un computer quantistico digitale, chiamato anche computer quantistico universale.

Il prossimo passo per Macridin, Amundson e altri fisici delle particelle del Fermilab utilizzeranno il loro metodo sui problemi della fisica delle alte energie.

"In natura, le interazioni fermione-bosone sono fondamentali. appaiono ovunque, " ha detto Macridin. "Ora possiamo estendere il nostro algoritmo a varie teorie nel nostro campo".

Il loro successo va oltre la fisica delle particelle. Amundson afferma che il loro gruppo ha ascoltato scienziati dei materiali che pensano che il lavoro potrebbe essere utile per risolvere i problemi del mondo reale nel prossimo futuro.

"Abbiamo introdotto i bosoni in un modo nuovo che richiede meno risorse, " Ha detto Amundson. "Si apre davvero una nuova classe di simulazioni quantistiche".