Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) utilizó una computadora cuántica para simular con éxito un aspecto de las colisiones de partículas que generalmente se descuida en los experimentos de física de alta energía. como los que ocurren en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN.

El algoritmo cuántico que desarrollaron explica la complejidad de las lluvias de partón, que son ráfagas complicadas de partículas producidas en las colisiones que involucran procesos de producción y desintegración de partículas.

Algoritmos clásicos que se utilizan normalmente para modelar duchas parton, como los populares algoritmos de Markov Chain Monte Carlo, pasar por alto varios efectos cuánticos, los investigadores señalan en un estudio publicado en línea el 10 de febrero en la revista Cartas de revisión física que detalla su algoritmo cuántico.

"Básicamente, hemos demostrado que se puede instalar una ducha de parton en una computadora cuántica con recursos eficientes, "dijo Christian Bauer, quien es líder de Theory Group y se desempeña como investigador principal de los esfuerzos de computación cuántica en la División de Física de Berkeley Lab, "y hemos demostrado que hay ciertos efectos cuánticos que son difíciles de describir en una computadora clásica que se podrían describir en una computadora cuántica". Bauer dirigió el estudio reciente.

Su enfoque combina la computación cuántica y clásica:utiliza la solución cuántica solo para la parte de las colisiones de partículas que no se pueden abordar con la computación clásica. y utiliza la informática clásica para abordar todos los demás aspectos de las colisiones de partículas.

Los investigadores construyeron el llamado "modelo de juguete, "una teoría simplificada que puede ejecutarse en una computadora cuántica real y, al mismo tiempo, contiene la complejidad suficiente para evitar que sea simulada mediante métodos clásicos.

"Lo que hace un algoritmo cuántico es calcular todos los resultados posibles al mismo tiempo, luego elige uno, ", Dijo Bauer." A medida que los datos se vuelven más y más precisos, Nuestras predicciones teóricas deben ser cada vez más precisas. Y en algún momento estos efectos cuánticos se vuelven lo suficientemente grandes como para que realmente importen, "y deben tenerse en cuenta.

Al construir su algoritmo cuántico, Los investigadores tomaron en cuenta los diferentes procesos y resultados de partículas que pueden ocurrir en una ducha de partón, teniendo en cuenta el estado de las partículas, historial de emisión de partículas, si se produjeron emisiones, y la cantidad de partículas producidas en la ducha, incluyendo recuentos separados para bosones y para dos tipos de fermiones.

La computadora cuántica "calculó estas historias al mismo tiempo, y resumió todas las historias posibles en cada etapa intermedia, "Señaló Bauer.

El equipo de investigación utilizó el chip IBM Q Johannesburg, una computadora cuántica con 20 qubits. Cada qubit, o bit cuántico, es capaz de representar un cero, uno, y un estado de la llamada superposición en el que representa simultáneamente un cero y un uno. Esta superposición es lo que hace que los qubits sean excepcionalmente poderosos en comparación con los bits de computación estándar, que puede representar un cero o uno.

Los investigadores construyeron un circuito de computadora cuántica de cuatro pasos usando cinco qubits, y el algoritmo requiere 48 operaciones. Los investigadores notaron que es probable que el ruido en la computadora cuántica sea el culpable de las diferencias en los resultados con el simulador cuántico.

Si bien los esfuerzos pioneros del equipo para aplicar la computación cuántica a una parte simplificada de los datos del colisionador de partículas son prometedores, Bauer dijo que no espera que las computadoras cuánticas tengan un gran impacto en el campo de la física de alta energía durante varios años, al menos hasta que el hardware mejore.

Las computadoras cuánticas necesitarán más qubits y mucho menos ruido para tener un avance real, Dijo Bauer. "Mucho depende de qué tan rápido mejoren las máquinas". Pero señaló que hay un esfuerzo enorme y creciente para que eso suceda, y es importante empezar a pensar en estos algoritmos cuánticos ahora para estar preparados para los próximos avances en hardware.

Tales saltos cuánticos en tecnología son un enfoque principal de un centro colaborativo de I + D cuántico respaldado por el Departamento de Energía del que Berkeley Lab forma parte, llamado Acelerador de Sistemas Cuánticos.

A medida que el hardware mejore, será posible tener en cuenta más tipos de bosones y fermiones en el algoritmo cuántico, lo que mejorará su precisión.

Estos algoritmos deberían eventualmente tener un amplio impacto en el campo de la física de alta energía, él dijo, y también podría encontrar aplicación en experimentos con colisionadores de iones pesados.