Spredning finder sted over hele universet i store og små skalaer. Billardkugler klipper hinanden i søjler, kernerne i atomer kolliderer for at drive stjernerne og skabe tunge elementer, og endda lydbølger afviger fra deres oprindelige bane, når de ramte partikler i luften.
At forstå sådan spredning kan føre til opdagelser om de kræfter, der styrer universet. I en nylig publikation i Fysisk gennemgang cForskere fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), spekselatoren for kvantesimuleringer og University of Trento udviklede en algoritme til en kvantecomputer, der nøjagtigt simulerer spredning.
“Spredningseksperimenter hjælper os med at undersøge grundlæggende partikler og deres interaktioner,” sagde LLNL -videnskabsmand Sofia Quaglioni. “Spredningen af partikler i stof (materialer, atomer, molekyler, kerner) hjælper os med at forstå, hvordan den sag er organiseret på et mikroskopisk niveau.”
Arbejdet undersøger ikke -relativistisk elastisk spredning, hvor partikelens hastighed er meget langsommere end lysets hastighed, og projektilpartiklen sprænger en stationær målpartikel uden at miste nogen af dens energi.
Inklusive flere partikler i en simulering øger de krævede beregningsressourcer eksponentielt. Klassiske computere kæmper ofte for at følge med, men kvantecomputere kan kode og behandle en større mængde information.
“Kvantecomputere er naturligvis gode til at realisere tidsudviklingen af to interagerende partikler, som er direkte forbundet med spredningen af partiklerne,” sagde Quaglioni.
“High-performance computing-simuleringer baseret på mikroskopisk fysik for kerner, der er relevante for stjernernes eksplosioner, ville kræve en måne-skala supercomputer,” tilføjede LLNL-videnskabsmand Kyle Wendt.
Holdets algoritme indtager den oprindelige tilstand af partikelsystemet (der beskriver projektilpartiklen og målpartiklen, der kører mod hinanden), samt information om samspillet mellem de to. Derfra spiller det spredningen fremad i tiden i trin og sporer virkningen af kollisionen ved hjælp af en detektor og et variationelt “trick.”
I kvantemekanik opfører partikler også bølger. Når partikler spreder sig, skifter det placeringen af deres bølge inden for dens cyklus. På hvert trin måler algoritmen dette skift ved at skabe og variere en detektorbølge, indtil den matcher partiklernes bølge.
For at teste algoritmen emulerede forskerne den på en klassisk computer. Når pålideligheden var bekræftet, udførte de simuleringer på IBM -kvanteprocessorer. Det variationelle trick, der blev anvendt til at måle skiftet i bølgen af spredte partikler, viste sig at være modstandsdygtige over for de støjkilder, der udfordrer aktuelle fremskridt inden for kvanteberegningshardware.
Den foreslåede kvantealgoritme’s robusthed mod kvanthardwarestøj, kombineret med dens skalering, der primært er drevet af dynamikken i realtidsudviklingen, repræsenterer en betydelig fremgang inden for kvantesimuleringer.
Mens denne metode blev demonstreret på den enkleste spredningsproces i det enkleste scenarie, kan den udvides til mere komplekse processer, der i øjeblikket undslipper klassisk højtydende computing for alle undtagen det mindste antal partikler.