Az extrém anyag megértése
A kutatók az IBM kvantumszámítógépeinek segítségével vizsgálták, hogyan viselkedik az anyag extrém körülmények között, például részecskeütközések során. Bár a részecskefizika Standard-modellje matematikai képleteken keresztül írja le ezeket a folyamatokat, valós, gyorsan változó vagy sűrű rendszerek esetén a számítás olyan bonyolulttá válik, hogy a legerősebb szuperszámítógépek is kudarcot vallanak. Itt lép színre a kvantumszámítógép: elvileg sokkal hatékonyabban tudja reprezentálni és szimulálni ezeket a fizikai rendszereket, azonban eddig nehéz volt megbízhatóan felkészíteni a kiinduló kvantumállapotokat. Most először sikerült olyan áramköröket kialakítani, amelyek épp erre képesek: előállítják a nagyenergiás részecskeütközések kiindulási állapotát is, és mindezt a Standard-modell erős kölcsönhatásaira alkalmazták.
Módszertani áttörés és jövőbeli ígéretek
A csapat először klasszikus számítógépeken tervezte meg az alapvető áramköröket, majd ezek mintájára skálázták fel a megoldásokat a kvantumhardverre. Az IBM processzoraival több mint 100 qubiten szimulálták az atommagfizika kulcsjelenségeit, például az üres tér (vákuumállapot) és a hadronok viselkedését. Ezek a méretezhető kvantumalgoritmusok elérhetővé tesznek olyan szimulációkat is, amelyek eddig lehetetlenek voltak, például extrém sűrűségű anyagok vagy hadronnyalábok vizsgálatát. A kutatók bíznak benne, hogy ezzel megközelíthetik az olyan kérdéseket is, mint az anyag és antianyag aránytalansága, a nehéz elemek képződése szupernóvákban, vagy az anyag viselkedése ultranagy sűrűségen. Ez a technika akár egzotikus kvantumanyagokat is modellezhet a jövőben.
A siker kulcsa: mintázatok és pontosság
A siker egyik titka, hogy a kutatók felismertek a fizikai rendszerekben visszatérő mintázatokat, például szimmetriákat és méretskálák közötti különbségeket. Ezek alapján optimalizálták a kvantumáramköröket, amelyek helyi összefüggéseket modelleztek. A működést előbb kis rendszereken, klasszikus módszerekkel ellenőrizték, majd több mint 100 qubites rendszeren tesztelték. Az új szimulációknak köszönhetően százalékos pontossággal sikerült a vákuum és a hadronnyalábok tulajdonságait modellezni, előrevetítve azt a jövőt, amelyben a kvantumszámítógépek olyan dinamikus fizikai folyamatokat is feltárhatnak, amelyekről a klasszikus gépek lemondtak.
