L'esplorazione delle scale di distanza più piccole con i collisori di particelle spesso richiede calcoli dettagliati degli spettri delle particelle in uscita (cerchi verdi pieni più piccoli). Credito:Benjamin Nachman, Berkeley Lab
I fisici del Lawrence Berkeley National Laboratory Christian Bauer, Marat Freytsis e Benjamin Nachman hanno sfruttato un computer quantistico IBM Q attraverso il Quantum Computing User Program dell'Oak Ridge Leadership Computing Facility per acquisire parte di un calcolo di due protoni in collisione. Il calcolo può mostrare la probabilità che una particella in uscita emetta particelle aggiuntive.
Nel recente articolo del team, pubblicato in Physical Review Letters , i ricercatori descrivono come hanno utilizzato un metodo chiamato teoria del campo efficace per scomporre la loro intera teoria in componenti. Infine, hanno sviluppato un algoritmo quantistico per consentire il calcolo di alcuni di questi componenti su un computer quantistico lasciando altri calcoli per i computer classici.
"Per una teoria simile alla natura, abbiamo mostrato come funziona in linea di principio. Quindi abbiamo preso una versione molto semplificata di quella teoria e fatto un calcolo esplicito su un computer quantistico", ha detto Nachman.
Il team del Berkeley Lab mira a scoprire informazioni sui più piccoli blocchi costitutivi della natura osservando le collisioni di particelle ad alta energia in ambienti di laboratorio, come il Large Hadron Collider a Ginevra, in Svizzera. Il team sta esplorando cosa accade in queste collisioni utilizzando i calcoli per confrontare le previsioni con i detriti di collisione effettivi.
"Una delle difficoltà di questo tipo di calcoli è che vogliamo descrivere una vasta gamma di energie", ha detto Nachman. "Vogliamo descrivere i processi a più alta energia fino ai processi a più bassa energia analizzando le particelle corrispondenti che volano nel nostro rivelatore."
L'utilizzo di un computer quantistico da solo per risolvere questo tipo di calcoli richiede un numero di qubit che va ben oltre le risorse di calcolo quantistico oggi disponibili. Il team può calcolare questi problemi sui sistemi classici usando approssimazioni, ma queste ignorano importanti effetti quantistici. Pertanto, il team mirava a separare il calcolo in diversi blocchi che fossero adatti per i sistemi classici o per i computer quantistici.
Il team ha condotto esperimenti sull'IBM Q attraverso il programma QCUP dell'OLCF presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per verificare che gli algoritmi quantistici sviluppati riproducessero i risultati attesi su piccola scala che possono ancora essere calcolati e confermati con i computer classici.
"Questo è un problema dimostrativo assolutamente critico", ha detto Nachman. "Per noi, è importante descrivere le proprietà di queste particelle in teoria e quindi implementarne effettivamente una versione su un computer quantistico. Molte sfide che sorgono quando si esegue su un computer quantistico non si verificano in teoria. Il nostro algoritmo scala, quindi quando avremo più risorse quantistiche, saremo in grado di fare calcoli che non potremmo fare classicamente."
Il team mira anche a rendere utilizzabili i computer quantistici in modo che possano eseguire il tipo di scienza che sperano di fare. I computer quantistici sono rumorosi e questo rumore introduce errori nei calcoli. Pertanto, il team ha anche implementato tecniche di mitigazione degli errori che avevano sviluppato in lavori precedenti.
Successivamente, il team spera di aggiungere più dimensioni al problema, suddividere il proprio spazio in un numero inferiore di punti e aumentare le dimensioni del problema. Alla fine, sperano di fare calcoli su un computer quantistico che non sono possibili con i computer classici.
"I computer quantistici disponibili tramite l'accordo IBM Q di ORNL hanno circa 100 qubit, quindi dovremmo essere in grado di scalare fino a dimensioni di sistema maggiori", ha affermato Nachman.
I ricercatori sperano anche di rilassare le loro approssimazioni e passare a problemi di fisica più vicini alla natura in modo che possano eseguire calcoli che sono più che una prova concettuale. + Esplora ulteriormente
