Un grupo de científicos del Fermilab del Departamento de Energía ha descubierto cómo utilizar la computación cuántica para simular las interacciones fundamentales que mantienen unido nuestro universo.

En un artículo publicado en Cartas de revisión física , Los investigadores de Fermilab llenan un vacío notable en el modelado del mundo subatómico utilizando computadoras cuánticas, dirigiéndose a una familia de partículas que, hasta hace poco, ha sido relativamente descuidado en las simulaciones cuánticas.

Las partículas fundamentales que componen nuestro universo se pueden dividir en dos grupos:partículas llamadas fermiones, que son los componentes básicos de la materia, y partículas llamadas bosones, que son partículas de campo y tiran de las partículas de materia.

En años recientes, Los científicos han desarrollado con éxito algoritmos cuánticos para calcular sistemas hechos de fermiones. Pero les ha costado mucho más hacer lo mismo con los sistemas de bosones.

Por primera vez, El científico del Fermilab Alexandru Macridin ha encontrado una manera de modelar sistemas que contienen fermiones y bosones en computadoras cuánticas de propósito general. abriendo una puerta a simulaciones realistas del reino subatómico. Su trabajo es parte del programa de ciencia cuántica de Fermilab.

"La representación de los bosones en la computación cuántica nunca se abordó muy bien en la literatura antes, "Macridin dijo." Nuestro método funcionó, y mejor de lo que esperábamos ".

La relativa oscuridad de los bosones en la literatura sobre computación cuántica tiene que ver en parte con los propios bosones y en parte con la forma en que ha evolucionado la investigación de la computación cuántica.

Durante la ultima decada, el desarrollo de algoritmos cuánticos centrados fuertemente en la simulación de sistemas puramente fermiónicos, como las moléculas de la química cuántica.

"Pero en la física de altas energías, también tenemos bosones, y los físicos de alta energía están particularmente interesados ​​en las interacciones entre bosones y fermiones, "dijo el científico del Fermilab Jim Amundson, coautor del artículo Physical Review Letters. "Así que tomamos los modelos de fermiones existentes y los ampliamos para incluir bosones, y lo hicimos de una manera novedosa ".

La mayor barrera para modelar bosones está relacionada con las propiedades de un qubit:un bit cuántico.

Mapeo de los estados

Un qubit tiene dos estados:uno y cero.

Similar, un estado de fermión tiene dos modos distintos:ocupado y desocupado.

La propiedad de dos estados del qubit significa que puede representar un estado de fermión de manera bastante sencilla:un estado de qubit se asigna a "ocupado, " y el otro, "desocupado."

(Quizás recuerdes algo sobre la ocupación de estados de la química de la escuela secundaria:los orbitales de un electrón de un átomo pueden estar ocupados por un máximo de un electrón. Por lo tanto, están ocupados o no. Esos orbitales, Sucesivamente, se combinan para formar las capas de electrones que rodean el núcleo).

El mapeo uno a uno entre el estado de qubit y el estado de fermión facilita la determinación del número de qubits que necesitará para simular un proceso fermiónico. Si se trata de un sistema de 40 estados de fermiones, como una molécula con 40 orbitales, necesitarás 40 qubits para representarlo.

En una simulación cuántica, un investigador establece qubits para representar el estado inicial de, decir, un proceso molecular. Luego, los qubits se manipulan de acuerdo con un algoritmo que refleja cómo evoluciona ese proceso.

Los procesos más complejos necesitan un mayor número de qubits. A medida que crece el número, también lo hace la potencia informática necesaria para llevarlo a cabo. Pero incluso con solo un puñado de qubits a tu disposición, los investigadores pueden abordar algunos problemas interesantes relacionados con los procesos de fermiones.

"Existe una teoría bien desarrollada sobre cómo mapear fermiones en qubits, "dijo el teórico del Fermilab Roni Harnik, coautor del artículo.

Bosones, partículas de fuerza de la naturaleza, son una historia diferente. El negocio de mapearlos se complica rápidamente. Eso es en parte porque, a diferencia del restringido, estado de fermión de dos opciones, los estados bosónicos son muy acomodaticios.

Acomodando bosones

Dado que solo un fermión puede ocupar un estado cuántico de fermión particular, ese estado está ocupado o no, uno o cero.

A diferencia de, un estado de bosón puede estar ocupado de forma variable, acomodando un bosón, un trillón de bosones, o cualquier cosa en el medio. Eso dificulta la asignación de bosones a qubits. Con solo dos estados posibles, un solo qubit no puede, por sí mismo, representan un estado de bosón.

Con bosones, la cuestión no es si el qubit representa un estado ocupado o desocupado, sino más bien, cuántos qubits se necesitan para representar el estado del bosón.

"Los científicos han ideado formas de codificar bosones en qubits que requerirían una gran cantidad de qubits para obtener resultados precisos, "Dijo Amundson.

Un número prohibitivamente grande, en muchos casos. Por algunos métodos, una simulación útil necesitaría millones de qubits para modelar fielmente un proceso de bosón, como la transformación de una partícula que finalmente produce una partícula de luz, que es un tipo de bosón.

Y eso es solo para representar la configuración inicial del proceso, y mucho menos dejarlo evolucionar.

La solución de Macridin fue reformular el sistema de bosones como otra cosa, algo muy familiar para los físicos:un oscilador armónico.

Los osciladores armónicos están en todas partes en la naturaleza, desde las escalas subatómicas a las astronómicas. La vibración de las moléculas el pulso de la corriente a través de un circuito, la sacudida hacia arriba y hacia abajo de un resorte cargado, el movimiento de un planeta alrededor de una estrella:todos son osciladores armónicos. Incluso las partículas bosónicas, como los que Macridin buscaba simular, pueden tratarse como diminutos osciladores armónicos. Gracias a su ubicuidad, Los osciladores armónicos son bien conocidos y pueden modelarse con precisión.

Con experiencia en física de la materia condensada (el estudio de la naturaleza un par de muescas más allá de su base de partículas), Macridin estaba familiarizado con el modelado de osciladores armónicos en cristales. Encontró una forma de representar un oscilador armónico en una computadora cuántica, mapear dichos sistemas a qubits con una precisión excepcional y permitir la simulación precisa de bosones en computadoras cuánticas.

Y a un bajo costo de qubits:representar un oscilador armónico discreto en una computadora cuántica requiere solo unos pocos qubits, incluso si el oscilador representa una gran cantidad de bosones.

"Nuestro método requiere un número relativamente pequeño de qubits para los estados de bosones, exponencialmente más pequeño que lo propuesto por otros grupos antes, "Macridin dijo." Para otros métodos para hacer lo mismo, probablemente necesitarían órdenes de magnitud mayor de qubits ".

Macridin estima que seis qubits por estado de bosón son suficientes para explorar problemas físicos interesantes.

Éxito de la simulación

Como prueba del método de mapeo de Macridin, el grupo de Fermilab aprovechó por primera vez la teoría cuántica de campos, una rama de la física que se centra en el modelado de estructuras subatómicas. Modelaron con éxito la interacción de los electrones en un cristal con las vibraciones de los átomos que forman el cristal. La "unidad" de esa vibración es un bosón llamado fonón.

Usando un simulador cuántico en el cercano Laboratorio Nacional de Argonne, modelaron el sistema de electrones y fonones y, ¡voilá! demostraron que podían calcular, con alta precisión, las propiedades del sistema utilizando sólo unos 20 qubits. El simulador es una computadora clásica que simula cómo una computadora cuántica, hasta 35 qubits, obras. Los investigadores de Argonne aprovechan el simulador y su experiencia en algoritmos escalables para explorar el impacto potencial de la computación cuántica en áreas clave como la química cuántica y los materiales cuánticos.

"Demostramos que la técnica funcionó, "Dijo Harnik.

Además demostraron que, al representar bosones como osciladores armónicos, se podrían describir con eficacia y precisión sistemas que implican interacciones fermión-bosón.

"Resultó encajar bien, "Dijo Amundson.

"Empecé con una idea, y no funcionó, entonces cambié la representación de los bosones, "Macridin dijo." Y funcionó bien. Hace que la simulación de sistemas fermión-bosón sea factible para computadoras cuánticas a corto plazo ".

Aplicación universal

La simulación del grupo Fermilab no es la primera vez que los científicos han modelado bosones en computadoras cuánticas. Pero en los otros casos, los científicos utilizaron hardware diseñado específicamente para simular bosones, por lo que la evolución simulada de un sistema de bosones ocurriría de forma natural, por así decirlo, en esas computadoras especiales.

El enfoque del grupo Fermilab es el primero que se puede aplicar de manera eficiente en un uso general, computadora cuántica digital, también llamada computadora cuántica universal.

El siguiente paso para Macridin, Amundson y otros físicos de partículas del Fermilab utilizarán su método en problemas de física de altas energías.

"En naturaleza, Las interacciones fermión-bosón son fundamentales. Aparecen por todas partes, ", Dijo Macridin." Ahora podemos extender nuestro algoritmo a varias teorías en nuestro campo ".

Su logro se extiende más allá de la física de partículas. Amundson dice que su grupo ha escuchado a científicos de materiales que piensan que el trabajo podría ser útil para resolver problemas del mundo real en el futuro previsible.

"Introdujimos los bosones de una manera nueva que requiere menos recursos, "Dijo Amundson." Realmente abre una nueva clase de simulaciones cuánticas ".