Uudenlainen kvanttitietokone tutkii alkuainehiukkasten tanssia

Alkuainehiukkasten ja -voimien tutkiminen on keskeistä maailmankaikkeuden ymmärtämisessä. Nyt Innsbruckin yliopiston ja Waterloon yliopiston kvanttilaskentainstituutin (IQC) fyysikot osoittavat, kuinka epätavallinen kvanttitietokone avaa uuden oven alkuainehiukkasten maailmaan.

Hiukkasfysiikan standardimalli on paras teoriamme alkuainehiukkasista ja voimista, jotka muodostavat maailmamme: hiukkasia ja antihiukkasia, kuten elektroneja ja positroneja, kuvataan kvanttikentiksi. Ne ovat vuorovaikutuksessa muiden voimakenttien, kuten varautuneita hiukkasia sitovan sähkömagneettisen voiman, kautta.

Ymmärtääkseen näiden kvanttikenttien ja sen myötä universumimme käyttäytymistä tutkijat suorittavat monimutkaisia kvanttikenttäteorioiden tietokonesimulaatioita. Valitettavasti monet näistä laskelmista ovat liian monimutkaisia jopa parhaille supertietokoneillemme ja asettavat suuria haasteita myös kvanttitietokoneille, jättäen monia kysymyksiä vastaamatta.

Martin Ringbauerin Innsbruckin yliopiston kokeellinen ryhmä ja Kanadan Waterloon yliopiston IQC:n Christine Muschikin johtama teoriaryhmä raportoivat Nature Physics -lehden julkaisussa, kuinka he ovat onnistuneesti simuloineet täydellisen kvanttikenttäteorian useammassa kuin yhdessä tilaulottuvuudessa.

Ydin, joka tekee kvanttikenttäteorioiden simuloinnista haastavia kvanttitietokoneille, johtuu tarpeesta kaapata kentät, jotka edustavat hiukkasten välisiä voimia, kuten sähkömagneettista voimaa varautuneiden hiukkasten välillä. Nämä kentät voivat osoittaa eri suuntiin ja niillä voi olla eri voimakkuus- tai viritysasteita. Tällaiset objektit eivät sovi siististi perinteiseen nolliin ja ykkösiin perustuvaan binäärilaskentaparadigmaan, joka on nykypäivän klassisten ja kvanttitietokoneiden perusta.

Uusi edistys oli mahdollista Innsbruckissa kehitetyn kuditti-kvanttitietokoneen ja Waterloossa kehitetyn perushiukkasten vuorovaikutusten simuloimiseen tarkoitetun kuditti-algoritmin yhdistelmällä.

Tämä lähestymistapa perustuu jopa viiden arvon käyttämiseen kvantti-informaation kantajaa kohden pelkän nollan ja ykkösen sijaan informaation tehokkaaseen tallentamiseen ja käsittelyyn. Tällainen kvanttitietokone sopii ihanteellisesti haasteeseen esittää monimutkaisia kvanttikenttiä hiukkasfysiikan laskelmissa.

"Meidän lähestymistapamme mahdollistaa kvanttikenttien luonnollisen esityksen, mikä tekee laskelmista paljon tehokkaampia", selittää Michael Meth. Tämän ansiosta ryhmä pystyi havainnoimaan kvanttielektrodynamiikan peruspiirteitä kahdessa tilaulottuvuudessa.

Uusi kvanttielektrodynamiikan työ on vasta alkua. Vain muutamalla kuditilla on mahdollista laajentaa nykyiset tulokset kolmiulotteisten mallien lisäksi myös vahvaan ydinvoimaan, joka pitää atomeja yhdessä ja sisältää monia fysiikan jäljellä olevia mysteereitä. "Olemme innoissamme kvanttitietokoneiden mahdollisuuksista osallistua näiden kiehtovien kysymysten tutkimiseen", Ringbauer sanoo innostuneena.

Aiheesta aiemmin:

Fotoniset kuditit haastavat tekoälyn

Kuditit antavat välähdyksen kvanttitulevaisuudesta

Uusia menetelmiä turvalliseen kvanttitiedonsiirtoon