Nel corso dell'ultimo secolo, gli scienziati hanno sviluppato descrizioni matematiche di come queste particelle e pacchetti di energia interagiscono e hanno utilizzato la loro comprensione della "meccanica quantistica" per progettare una serie di tecnologie sorprendenti, dai computer e telefoni cellulari ai telescopi e ai veicoli spaziali.

Nuove applicazioni, come potenti computer quantistici e reti di comunicazione quantistica, sono appena oltre l’orizzonte. Ma ancor prima che queste applicazioni diventino mainstream, gli scienziati stanno sviluppando un codice quantistico per eseguire calcoli quantistici e utilizzarlo per monitorare sistemi quantistici complessi.

In un esempio recente, teorici e scienziati computazionali del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) e della Stony Brook University (SBU) hanno eseguito una serie di simulazioni quantistiche per esplorare una delle caratteristiche più strane del regno quantistico:l’entanglement. Lo studio riporta la quantistica alle sue radici nel tentativo di spiegare il comportamento delle particelle subatomiche.

"L'idea essenziale alla base dell'entanglement è che due oggetti quantistici, ad esempio due particelle, possono essere correlati, o consapevoli l'uno dell'altro, anche se sono separati da distanze molto grandi", ha spiegato Dmitri Kharzeev, teorico del Brookhaven Lab/SBU, che ha guidato lo studio. ricerca. Einstein la chiamava "azione spettrale a distanza". Ma innumerevoli esperimenti hanno dimostrato che l'effetto inquietante è reale.

Per fare un ulteriore passo avanti, Kharzeev e i suoi colleghi volevano vedere se l’entanglement persiste nei getti di particelle secondarie, cascate di particelle prodotte dalla frammentazione di particelle presumibilmente intrappolate emesse da collisioni di particelle ad alta energia. Hanno sviluppato simulazioni per cercare correlazioni tra le particelle in un getto e quelle in un getto prodotto uno dopo l'altro dallo stesso evento iniziale.

Le loro simulazioni, descritte in una pubblicazione su Physical Review Letters , ha rivelato un forte intreccio persistente, almeno per brevi distanze.

I risultati forniscono una base per testare queste previsioni negli esperimenti di fisica nucleare presso il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) presso il Brookhaven Lab, il Large Hadron Collider (LHC) presso il laboratorio europeo del CERN e il futuro Electron-Ion Collider (EIC), ora in fase di progettazione a Brookhaven. Inoltre, il metodo, che utilizzava codice quantistico eseguito su un supercomputer classico, offre approfondimenti sui modi per aggiornare e sfruttare le risorse informatiche esistenti per eseguire calcoli quantistici finché non verranno realizzati computer quantistici più pratici.

Rilevamento dell'entanglement secondario

"Se produci un quark e un antiquark uno dopo l'altro in una collisione ad alta energia, ti aspetti che queste due particelle siano intrecciate perché sono state prodotte nella stessa interazione", ha detto il coautore dello studio Adrien Florio, un Goldhaber Fellow che lavora con Kharzeev. nel dipartimento di fisica del Brookhaven Lab. "Ma rilevare questo entanglement non è facile perché non possiamo osservare direttamente i quark. I quark e gli antiquark devono sempre essere 'confinati', accoppiati o triplicati per formare particelle composite chiamate adroni."

L’enigma del confinamento significa che, non appena il quark e l’antiquark emergono dalla collisione, iniziano immediatamente a cedere la loro energia al vuoto circostante. Quell'energia genera nuove coppie quark-antiquark:una cascata, o getto, di adroni legati per ciascuna particella iniziale.

I modelli tradizionali di produzione dei getti forniscono descrizioni probabilistiche delle particelle che compongono i getti in tre dimensioni. Cercare correlazioni uno a uno tra una particolare particella in un getto e una particella nell'altro sarebbe estremamente impegnativo.

"Prima dell'informatica quantistica, non sapevamo nemmeno come affrontare questo problema", ha affermato Florio.

Ma simulando le particelle utilizzando i qubit, le unità fondamentali del calcolo quantistico, gli scienziati hanno potuto verificare se i qubit che rappresentano singoli punti nello spazio e nel tempo fossero legati. Inoltre, hanno utilizzato un quadro teorico più semplice che ha ridotto la complessità dei getti a sole due dimensioni:una dimensione spaziale più il tempo.

"Poiché il quark e l'antiquark sono prodotti a energie molto elevate, si muovono come proiettili nel vuoto quantistico lungo una linea retta", ha detto Florio. "Cerchiamo semplicemente correlazioni tra i qubit che rappresentano le particelle lungo quella traiettoria rettilinea nel tempo."

Entropia di entanglement

I calcoli sono stati progettati in collaborazione con Kwang Min Yu della Computational Science Initiative (CSI) del Brookhaven Lab per mostrare se l'"entropia di entanglement" di un adrone in un punto particolare della traiettoria di un getto era correlata con l'entropia di entanglement di un adrone nel corrispondente punto punto nel getto opposto.

"L'entropia è una misura dell'incertezza", ha spiegato Kharzeev. "Quando c'è molto caos e incertezza nella tua vita, la tua vita ha un'elevata quantità di entropia." Gli stati quantistici puri, al contrario, hanno entropia di entanglement pari a zero. "In questi stati, tutto è sotto controllo. Sai esattamente in quale stato ti trovi, quindi non c'è incertezza", ha detto.

Ma se due stati quantistici puri – particelle o qubit – sono intrecciati, "se fai qualcosa in uno, allora succederà qualcosa nell'altro", ha spiegato. "Ciò significa che se ne misuro solo uno, non possiedo informazioni complete al riguardo perché parte del suo stato è controllato da un altro stato quantico a cui non ho accesso. Ci sarà qualche incertezza sulle sue proprietà e sul suo comportamento." Il valore di entropia non sarà zero.

"È come se fossi in una relazione stretta con qualcuno, e qualunque cosa questa persona faccia ti influenza e viceversa. Quindi questo significa che non hai il controllo completo di ciò che sta succedendo. Questa è la stessa cosa a livello quantico." Ha detto Kharzeev.

Per rilevare questi intrecci, gli scienziati hanno cercato correlazioni tra qubit che rappresentano particelle a varie distanze dal punto di collisione. Kharzeev ha paragonato i calcoli al lancio di dadi e alla misurazione della probabilità che lanciando un certo numero su uno si produca lo stesso numero sull'altro.

"Con le particelle si determina se una particella prodotta in un punto dello spazio corrisponde a una particella prodotta nello stesso punto dello spazio dal lato opposto della collisione. Se coincidono una volta, potrebbe essere una coincidenza. Ma se si lanciano le particelle 'dadi' un milione di volte studiando milioni di eventi, e ti mostrano sempre risultati identici, allora sai che queste particelle sono correlate o intrecciate," ha detto.

Gli scienziati hanno scoperto che le correlazioni quantistiche tra gli adroni simulati esistono e sono piuttosto forti. "Ma nelle nostre simulazioni, vediamo che le correlazioni si estinguono se la separazione tra le particelle secondarie è ampia", ha affermato.

I risultati forniscono una base per verificare se l'entanglement persiste e si estingue con l'aumentare della distanza negli esperimenti presso RHIC, LHC e il futuro EIC.

Sfruttare le risorse informatiche

Anche se gli scienziati hanno scritto le loro simulazioni utilizzando il codice quantistico, hanno eseguito i calcoli su un supercomputer classico presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del DOE.

"Per ora, è possibile ottenere risultati molto significativi per un piccolo numero di qubit, simulando il loro comportamento su un computer classico", ha spiegato Yu di CSI.

Kharzeev e Yu stanno lavorando con i collaboratori di NVIDIA, la società che originariamente ha sviluppato le unità di elaborazione grafica (GPU) utilizzate nei supercomputer più potenti di oggi, per rendere i computer classici ancora più adatti all'esecuzione di simulazioni quantistiche.

"È possibile riorganizzare le porte quantistiche per ottimizzarle per l'esecuzione di simulazioni quantistiche", ha detto Yu.

Ma anche questi computer classici ottimizzati alla fine raggiungeranno il massimo quando il numero di qubit necessari per le simulazioni aumenterà, come è necessario per monitorare l'evoluzione dei jet per tempi più lunghi su distanze maggiori, ad esempio.

Sono in corso molti sforzi per migliorare le prestazioni dei computer quantistici, in particolare per migliorare la mitigazione degli errori. Kharzeev sta partecipando a questo lavoro come parte del Co-design Center for Quantum Advantage (C ² QA), un centro di ricerca nazionale sulla scienza dell'informazione quantistica (QIS) guidato da Brookhaven Lab.

"Molte persone stanno lavorando per risolvere le sfide legate alla costruzione di computer quantistici", ha detto Kharzeev. "Sono fiducioso che, nel prossimo futuro, saremo in grado di eseguire un'ampia varietà di simulazioni quantistiche più complesse su queste macchine di prossima generazione, utilizzando la conoscenza che abbiamo già acquisito sulle interazioni quantistiche per esplorare ulteriormente il comportamento di le particelle quantistiche che compongono il nostro mondo."