Un team di ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ha utilizzato un computer quantistico per simulare con successo un aspetto delle collisioni di particelle che è tipicamente trascurato negli esperimenti di fisica delle alte energie, come quelli che si verificano al Large Hadron Collider del CERN.

L'algoritmo quantistico che hanno sviluppato tiene conto della complessità delle docce di partoni, che sono esplosioni complicate di particelle prodotte nelle collisioni che coinvolgono la produzione di particelle e processi di decadimento.

Algoritmi classici tipicamente usati per modellare le docce di partoni, come i popolari algoritmi Markov Chain Monte Carlo, trascurare diversi effetti quantistici, notano i ricercatori in uno studio pubblicato online il 10 febbraio sulla rivista Lettere di revisione fisica che dettaglia il loro algoritmo quantistico.

"Abbiamo essenzialmente dimostrato che puoi mettere una doccia di partoni su un computer quantistico con risorse efficienti, "ha detto Christian Bauer, che è il leader del Theory Group e funge da investigatore principale per gli sforzi di calcolo quantistico nella divisione di fisica del Berkeley Lab, "e abbiamo dimostrato che ci sono alcuni effetti quantistici difficili da descrivere su un computer classico che potresti descrivere su un computer quantistico". Bauer ha condotto il recente studio.

Il loro approccio unisce il calcolo quantistico e classico:utilizza la soluzione quantistica solo per la parte delle collisioni di particelle che non può essere affrontata con il calcolo classico, e utilizza l'informatica classica per affrontare tutti gli altri aspetti delle collisioni tra particelle.

I ricercatori hanno costruito un cosiddetto "modello giocattolo, "una teoria semplificata che può essere eseguita su un vero computer quantistico pur contenendo abbastanza complessità da impedirne la simulazione con metodi classici.

"Ciò che fa un algoritmo quantistico è calcolare tutti i possibili risultati allo stesso tempo, poi ne sceglie uno, " Ha detto Bauer. "Man mano che i dati diventano sempre più precisi, le nostre previsioni teoriche devono diventare sempre più precise. E ad un certo punto questi effetti quantistici diventano abbastanza grandi da essere davvero importanti, " e devono essere contabilizzati.

Nella costruzione del loro algoritmo quantistico, i ricercatori hanno preso in considerazione i diversi processi e risultati delle particelle che possono verificarsi in una doccia di partoni, contabilizzazione dello stato delle particelle, storia delle emissioni di particelle, se si sono verificate emissioni, e il numero di particelle prodotte nella doccia, compresi i conteggi separati per i bosoni e per due tipi di fermioni.

Il computer quantistico "ha calcolato queste storie allo stesso tempo, e ha riassunto tutte le possibili storie in ogni fase intermedia, " ha osservato Bauer.

Il team di ricerca ha utilizzato il chip IBM Q Johannesburg, un computer quantistico con 20 qubit. ogni qubit, o bit quantistico, è in grado di rappresentare uno zero, uno, e uno stato di cosiddetta sovrapposizione in cui rappresenta contemporaneamente sia uno zero che uno. Questa sovrapposizione è ciò che rende i qubit straordinariamente potenti rispetto ai bit di calcolo standard, che può rappresentare uno zero o uno.

I ricercatori hanno costruito un circuito di computer quantistico in quattro fasi utilizzando cinque qubit, e l'algoritmo richiede 48 operazioni. I ricercatori hanno notato che il rumore nel computer quantistico è probabilmente la causa delle differenze nei risultati con il simulatore quantistico.

Mentre gli sforzi pionieristici del team per applicare l'informatica quantistica a una porzione semplificata dei dati del collisore di particelle sono promettenti, Bauer ha detto che non si aspetta che i computer quantistici avranno un grande impatto sul campo della fisica delle alte energie per diversi anni, almeno fino a quando l'hardware non migliorerà.

I computer quantistici avranno bisogno di più qubit e di un rumore molto più basso per avere una vera svolta, ha detto Bauer. "Molto dipende da quanto velocemente le macchine migliorano." Ma ha notato che c'è uno sforzo enorme e crescente per farlo accadere, ed è importante iniziare a pensare a questi algoritmi quantistici ora per essere pronti per i prossimi progressi nell'hardware.

Tali salti quantici nella tecnologia sono un obiettivo primario di un centro di ricerca e sviluppo quantistico collaborativo supportato dal Dipartimento dell'Energia di cui fa parte il Berkeley Lab, chiamato Quantum Systems Accelerator.

Con il miglioramento dell'hardware sarà possibile tenere conto di più tipi di bosoni e fermioni nell'algoritmo quantistico, che ne migliorerà la precisione.

Tali algoritmi dovrebbero alla fine avere un ampio impatto nel campo della fisica delle alte energie, Egli ha detto, e potrebbe anche trovare applicazione in esperimenti di collisione con ioni pesanti.