الگوریتم کوانتومی جدید می‌تواند دلیل وجود ماده را توضیح دهد
پژوهشگران با استفاده از رایانه‌های کوانتومی IBM، مدارهای کوانتومی مقیاس‌پذیر ایجاد کردند که رفتار ماده را تحت شرایط افراطی شبیه‌سازی می‌کند و بینش جدیدی درباره نیروهای بنیادی و منشأ جهان فراهم می‌سازند.
شبیه‌سازی رفتار ماده در شرایط افراطی برای بررسی برخی از عمیق‌ترین پرسش‌های مرتبط با جهان ضروری است. مدل استاندارد فیزیک ذرات توصیف می‌کند که ذرات بنیادی چگونه با یکدیگر تعامل می‌کنند و معادلاتی ارائه می‌دهد که به دانشمندان کمک می‌کند تا این پدیده‌های طبیعی را شرح دهند.
با این حال، هنگامی که سامانه‌ها به‌سختی پویا شوند یا به وضعیت‌های بسیار متراکم برسند، معادلات مدل استاندارد تقریباً حل‌ناشدنی می‌شوند، حتی با استفاده از پیشرفته‌ترین ابررایانه‌های کلاسیک. رایانه‌های کوانتومی ممکن است راهی قدرتمند و جدید برای مدل‌سازی این سامانه‌های پیچیده با کارایی بسیار بالاتر ارائه دهند.
یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های شبیه‌سازی‌های کوانتومی، آماده‌سازی حالت اولیه صحیح ماده روی کیوبیت‌های رایانه کوانتومی است. در یک پیشرفت مهم، دانشمندان اکنون مدارهای کوانتومی مقیاس‌پذیر را توسعه داده‌اند که قادر به تولید حالت ابتدایی برخورد ذرات شبیه به آنچه در شتاب‌دهنده‌های ذرات ایجاد می‌شود، هستند. این کار بر روی تعاملات قوی توصیف‌شده در مدل استاندارد متمرکز است که رفتار کوارک‌ها و گلوون‌ها را در داخل هسته‌های اتمی کنترل می‌کند.
تیم ابتدا این مدارها را برای سامانه‌های کوچک با استفاده از رایانه‌های کلاسیک طراحی و آزمایش کرد. سپس با بهره‌گیری از ساختار مقیاس‌پذیر این مدارها، رویکرد را به سامانه‌های بسیار بزرگ‌تر که به‌صورت مستقیم روی یک رایانه کوانتومی شبیه‌سازی می‌شوند، گسترش دادند. با استفاده از پردازشگرهای کوانتومی IBM، پژوهشگران به‌طور موفقیت‌آمیزی ویژگی‌های کلیدی فیزیک هسته‌ای را روی بیش از ۱۰۰ کیوبیت مدل‌سازی کردند که گامی مهم به سمت شبیه‌سازی‌های عملی کوانتومی محسوب می‌شود.
مسیر به سوی شبیه‌سازی‌های پیچیده کوانتومی
این الگوریتم‌های مقیاس‌پذیر کوانتومی مسیر امیدبخشی برای مقابله با برخی از پیچیده‌ترین مسایل فیزیک فراهم می‌آورند. می‌توان از آن‌ها برای مدل‌سازی حالت خلأ پیش از برخورد ذرات، مطالعه ماده در چگالی‌های فوق‌العاده بالا و شبیه‌سازی پرتوهای هادرون استفاده کرد. دانشمندان پیش‌بینی می‌کنند که با پیشرفت این روش‌ها، شبیه‌سازی‌های کوانتومی مبتنی بر مدارهای مقیاس‌پذیر در نهایت بر محاسبات کلاسیک برتری یافته و بینش‌های جدیدی درباره عملکرد بنیادی ماده و جهان ارائه دهند.
این شبیه‌سازی‌ها بینش‌هایی درباره مکانیزم‌های حاکم بر دینامیک ذرات بنیادی و جهان ما فراهم می‌آورند. ممکن است به پاسخ سؤال چرا ماده بیشتر از ضد ماده وجود دارد، نحوه تولید عناصر سنگین توسط سوپرانواها و ویژگی‌های ماده در چگالی‌های فوق‌العاده بالا کمک کنند. این مدارهای کوانتومی همچنین می‌توانند شبیه‌سازی سایر سامانه‌های پیچیده، از جمله مواد عجیب و غریب، را تسهیل کنند.
فیزیک‌دانان هسته‌ای بزرگ‌ترین شبیه‌سازی دیجیتال کوانتومی تاکنون را با استفاده از رایانه‌های کوانتومی IBM انجام دادند. تقارن‌ها و سلسله‌مراتب در مقیاس‌های طولی سامانه‌های فیزیکی به کشف مدارهای کوانتومی مقیاس‌پذیر برای آماده‌سازی حالت‌های با همبستگی‌های موضعی روی رایانه کوانتومی کمک کردند. پژوهشگران کارایی این الگوریتم را با آماده‌سازی حالت خلأ و هادرون‌های الکترودینامیک کوانتومی در یک بُعد فضایی نشان دادند.
گسترش شبیه‌سازی‌های کوانتومی
تیم برای سامانه‌های کوچک، شبیه‌سازی‌ها را با استفاده از رایانه‌های کلاسیک انجام داد تا عناصر مدارهای کوانتومی مقیاس‌پذیر را تعیین کند و نشان دهد که این حالت‌ها به‌صورت سیستماتیک قابل بهبود هستند. پژوهشگران مدارها را به‌صورت مقیاس‌پذیر به‌سایز سامانه‌های بیش از ۱۰۰ کیوبیت گسترش دادند و آن‌ها را روی رایانه‌های کوانتویی IBM اجرا کردند. تیم با استفاده از نتایج رایانه کوانتومی، ویژگی‌های حالت خلأ را با دقت سطح درصدی تعیین کرد.
علاوه بر این، آن‌ها از مدارهای مقیاس‌پذیر برای آماده‌سازی پالس‌های هادرون استفاده کردند که به‌صورت زمانی تکامل یافتند تا انتشار آن‌ها را مشاهده کنند. این پیشرفت‌ها مسیر امیدبخشی برای انجام شبیه‌سازی‌های دینامیکی ماده در شرایط افراطی فراهم می‌آورند که فراتر از توانایی‌های محاسبات کلاسیک به تنهایی هستند.
مراجع:
“Scalable Circuits for Preparing Ground States on Digital Quantum Computers: The Schwinger Model Vacuum on 100 Qubits” نوشته Roland C. Farrell, Marc Illa, Anthony N. Ciavarella و Martin J. Savage، ۱۸ آوریل ۲۰۲۴، PRX Quantum.
DOI: 10.1103/PRXQuantum.5.020315
“Quantum simulations of hadron dynamics in the Schwinger model using 112 qubits” نوشته Roland C. Farrell, Marc Illa, Anthony N. Ciavarella و Martin J. Savage، ۱۰ ژوئن ۲۰۲۴، Physical Review D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.109.114510
این تحقیق بخشی از حمایت‌های دفتر انرژی (DOE) در بخش علم، دفتر فیزیک هسته‌ای، InQubator for Quantum Simulation (IQuS) از طریق ابتکار Quantum Horizons: تحقیق و نوآوری QIS برای علم هسته‌ای؛ مرکز علوم کوانتومی (QSC)، یک مرکز ملی تحقیق در زمینه اطلاعات کوانتومی DOE و دانشگاه واشنگتن. این تحقیق از منابع محاسباتی مرکز پیشرو محاسبه‌گری اوک ریج (Oak Ridge Leadership Computing Facility)، یک مرکز کاربری دفتر علم DOE، استفاده کرد. این کار بخشی از پشتیبانی زیرساخت‌های محاسبه‌ای، ذخیره‌سازی و شبکه پیشرفته ارائه‌شده توسط سیستم سوپرکامپیوتری Hyak در دانشگاه واشنگتن بوده است. پژوهشگران از خدمات IBM Quantum برای این کار تشکر می‌کنند.