Badanie najmniejszych skal odległości za pomocą zderzacza cząstek wymaga często szczegółowych obliczeń widm cząstek wychodzących (najmniejsze zielone kółka) na podstawie dynamiki kwarków (linie proste) i gluonów (linie skręcone)

Komputery kwantowe pomagają symulować zderzenia cząstek elementarnych. Czas na nową fizykę

Komputery kwantowe mogą być pomocne w symulowaniu zderzeń protonów, do których dochodzi w akceleratorach cząstek. Wiedza ta może być przydatna dla fizyków do projektowania przyszłych eksperymentów.

Naukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory – Christian Bauer, Marat Freytsis i Benjamin Nachman – użyli komputer kwantowy IBM Q do symulowania zderzeń dwóch protonów. Obliczenia te pozwolą stworzyć model, określający, jakie jest prawdopodobieństwo wyemitowania innych cząstek elementarnych.

Czytaj też: Fizyka kwantowa – siedem faktów, które warto znać

Dzięki wykorzystaniu metody nazwanej efektywną teorią pola, udało się stworzyć algorytm kwantowy pozwalający na obliczenie niektórych składowych zderzeń protonów. To może być ważny moment dla fizyków cząstek elementarnych.

Pokazaliśmy, jak to w zasadzie działa w przypadku teorii bliskiej naturze. Następnie wzięliśmy bardzo uproszczoną wersję tej teorii i wykonaliśmy wyraźne obliczenia na komputerze kwantowym.

Benjamin Nachman

Naukowcom z Lawrence Berkeley National Laboratory przyświeca słuszna idea – odkrycie najmniejszych cząstek elementarnych poprzez obserwację wysokoenergetycznych zderzeń cząstek w warunkach laboratoryjnych. Komputery kwantowe pozwalają na tworzenie jeszcze dokładniejszych modeli niż komputery klasyczne.

Jedną z trudności w tego typu obliczeniach jest to, że chcemy opisać duży zakres energii. Chcemy opisać procesy o najwyższej energii aż do procesów o najniższej energii, analizując odpowiadające im cząstki, które wpadają do naszego detektora.

Benjamin Nachman

W najnowszych eksperymentach, które opisano w Physical Review Letters, wykorzystano komputer kwantowy IBM Q, aby stwierdzić, czy stworzone algorytmy prezentują oczekiwane wyniki w małych skalach oraz czy można je potwierdzić za pomocą klasycznych komputerów.

To jest absolutnie krytyczny problem demonstracyjny. Dla nas ważne jest, aby opisać właściwości tych cząstek teoretycznie, a następnie zaimplementować ich wersję na komputerze kwantowym. Wiele wyzwań, które pojawiają się podczas pracy na komputerze kwantowym, nie występuje w teorii. Nasz algorytm jest skalowalny, więc gdy zdobędziemy więcej zasobów kwantowych, będziemy mogli wykonywać obliczenia, których nie moglibyśmy wykonać klasycznie.

Benjamin Nachman

Zespół uczonych z ORNL będzie kontynuował badania i ostatecznie ma nadzieję wykonać na komputerze kwantowym obliczenia, które nie są możliwe do wykonania na komputerach klasycznych.