Araştırmacılar, 100'den fazla kübitte temel nükleer fiziği simüle edebilen ölçeklenebilir kuantum devreleri geliştirdiler. Bu devreler, klasik bilgisayarların başa çıkamayacağı karmaşık başlangıç durumlarını verimli bir şekilde hazırlıyor.
Bu başarı, parçacık çarpışmalarını ve aşırı madde formlarını simüle etmeye yönelik yeni bir yol gösteriyor. Nihayetinde, uzun süredir devam eden kozmik gizemleri aydınlatabilir.
Bilim insanları, doğanın en temel davranışlarından bazılarını ortaya çıkarmak için aşırı koşullar altındaki maddeyi inceler. Parçacık fiziğinin Standart Modeli, bu olayları tanımlamak için gereken denklemleri içerir, ancak hızla değişen ortamlar veya aşırı yoğun madde gibi birçok gerçek durumda, bu denklemler en gelişmiş klasik süper bilgisayarların bile başa çıkamayacağı kadar karmaşık hale gelir.
Kuantum bilişim, prensipte bu sistemleri çok daha verimli bir şekilde temsil edip simüle edebildiği için umut verici bir alternatif sunuyor. Ancak asıl zorluk, bir simülasyonun ihtiyaç duyduğu başlangıç kuantum durumunu oluşturmak için güvenilir yöntemler bulmak.
Bu çalışmada araştırmacılar bir ilki başardılar: Parçacık hızlandırıcılarında üretilenlere benzer bir parçacık çarpışmasının başlangıç durumunu hazırlayabilen ölçeklenebilir kuantum devreleri oluşturdular. Testleri, Standart Model tarafından tanımlanan güçlü etkileşimlere odaklanıyor.
Ekip, klasik bilgisayarlar kullanarak küçük sistemler için gerekli devreleri belirleyerek işe başladı. Bu tasarımlar belirlendikten sonra, devrelerin ölçeklenebilir yapısını doğrudan bir kuantum bilgisayarında çok daha büyük simülasyonlar oluşturmak için kullandılar. IBM'in kuantum donanımını kullanarak, nükleer fiziğin temel özelliklerini 100'den fazla kübit üzerinde başarıyla simüle ettiler.
Yüksek Yoğunluklu Fizik için Ölçeklenebilir Kuantum Yöntemleri
Bu ölçeklenebilir kuantum algoritmaları, daha önce erişilemeyen simülasyonların kapısını açıyor. Bu yaklaşım, parçacık çarpışmasından önceki vakum durumunu, son derece yüksek yoğunluklu fiziksel sistemleri ve hadron ışınlarını modellemek için kullanılabilir.
Araştırmacılar, bu devreler üzerine inşa edilen gelecekteki kuantum simülasyonlarının, klasik hesaplamanın başarabileceğinin çok ötesine geçeceğini öngörüyor.
Bu tür simülasyonlar, madde ve antimadde dengesizliği, süpernovaların içindeki ağır elementlerin oluşumu ve ultra yüksek yoğunluklardaki maddenin davranışı gibi fizikteki başlıca açık sorulara ışık tutabilir. Aynı teknikler, sıra dışı kuantum özelliklerine sahip egzotik malzemeler de dahil olmak üzere diğer zorlu sistemlerin modellenmesine de yardımcı olabilir.
Nükleer fizikçiler, IBM'in kuantum bilgisayarlarını kullanarak şimdiye kadar tamamlanmış en büyük dijital kuantum simülasyonunu gerçekleştirdiler. Başarıları, simetriler ve uzunluk ölçeklerindeki farklılıklar da dahil olmak üzere fiziksel sistemlerdeki kalıpları belirlemelerinden kaynaklandı.
Bu sayede, yerelleştirilmiş korelasyonlara sahip durumlar hazırlayan ölçeklenebilir devreler tasarlamalarına yardımcı oldular. Bu algoritmanın etkinliğini, vakum durumunu ve hadronları kuantum elektrodinamiğinin tek boyutlu bir versiyonunda hazırlayarak gösterdiler.
Küçük Modellerden Büyük Ölçekli Kuantum Sistemlerine Geçiş
Ekip, devre bileşenlerini önce klasik hesaplama araçlarıyla küçük sistemlerde test ederek doğruladı ve ortaya çıkan durumların sistematik olarak iyileştirilebileceğini doğruladı.
Ardından devreleri 100'den fazla kübiti işleyebilecek şekilde genişlettiler ve IBM'in kuantum aygıtlarında çalıştırdılar. Bilim insanları, bu simülasyonlardan elde edilen verileri kullanarak vakumun özelliklerini yüzde düzeyinde doğrulukla çıkardılar.
Ayrıca, devreleri hadron darbeleri üretmek için kullandılar ve ardından bu darbelerin zaman içinde nasıl evrimleştiğini simüle ederek yayılımlarını izlediler.
Bu gelişmeler, kuantum bilgisayarlarının, klasik makinelerin erişemeyeceği aşırı koşullar altında maddenin tam dinamik simülasyonlarını gerçekleştirebileceği bir geleceğe işaret ediyor.
