En ny undersøgelse offentliggjort i Videnskabelige rapporter Simulerer oprettelse af partikel i et ekspanderende univers ved hjælp af IBM -kvantecomputere, hvilket demonstrerer den digitale kvantesimulering af kvantefeltteori for buet rumtid (QFTC’er).
Mens forsøg på at skabe en komplet kvanteteori om tyngdekraft har været succesrige, er der en anden tilgang til at udforske og forklare kosmologiske begivenheder.
QFTCS opretholder rumtid som en klassisk baggrund beskrevet af generel relativitet, mens man behandler sagen og tvinger felterne inden for det kvantisk. Dette gør det muligt for fysikere at studere kvanteeffekter i “buet rumtid” uden at have brug for en komplet teori om kvantetyngdekraft.
Denne semi-klassiske teori har allerede forudsagt fænomener som Hawking-stråling fra sorte huller og oprettelse af partikler i ekspanderende rumtider. Imidlertid har disse forudsigelser været svære at verificere eksperimentelt.
Forskere har derfor brugt analoge kvantesimuleringer, såsom Bose-Einstein-kondensater, til at verificere disse fænomener, hvilket efterlader digitale kvantesimuleringer uudforsket.
LektieForum talte med den første forfatter af undersøgelsen, Marco Díaz Maceda, en kandidatstuderende ved Universidad Autónoma de Madrid.
“Jeg tror, kvantekompetence har en lovende fremtid til at fremme forskning inden for fysik. Jeg har altid elsket at studere universet og dets fænomen Det er et naturligt og inspirerende valg for mig, ”sagde Maceda.
Fejlbegrænsning vs. fejlkorrektion
I den nuværende “støjende mellemskala kvante” (NISQ) er kvantecomputere tre hovedkarakteristika. Dette inkluderer støj, hvilket betyder, at qubits og kvanteporte er modtagelige for miljømæssig støj, og disse enheder har groft ti eller et par hundrede qubits.
Mens disse enheder er kraftfulde og kan bruges til applikationer som optimeringsproblemer og maskinlæringsopgaver, har de en stor flaskehals, som er hardware.
Korrigering af kvantefejl (QECCS) har vist sig at fungere teoretisk, men er svære at implementere. De kræver mange fysiske qubits for at skabe en enkelt logisk qubit.
Dette overheadkrav gør QECC’er upraktisk at implementere på aktuelle kvantecomputere, der kun har titusinder eller hundreder af fysiske qubits.
I den nuværende undersøgelse overvinder forskerne dette ved at foreslå fejlbegrænsning i modsætning til fejlkorrektion. Ideen bag dette er at forstå, hvordan systemets fejl skaleres med støj.
Når de først er forstået, kan forskere arbejde bagud for at estimere det fejlfri resultat.
Maceda forklarede vigtigheden af denne teknik med hensyn til undersøgelsen, “vi brugte kun fire qubits, en for hver mulig tilstand af feltet. Siden vores kredsløb involverede et stort antal kvanteporte, der er akkumuleret over hele udførelsen. For at få Pålidelige resultater anvendte vi fejlbegrænsningsteknikker, hvilket hjalp med at forbedre troværdigheden af vores beregninger. “
Oprettelse af partikler
I QFT antages en flad rumtid, kendt som “Minkowski -rummet.” Men når rumtiden er buet eller dynamisk (som i et ekspanderende univers), ændrer fysikken sig.
Når rumtiden strækker sig eller udvides (under inflation), bliver vakuumtilstanden (eller nulpunktsenergistaten) ophidset i denne nye rumtid, hvilket fører til oprettelse af nye partikler. Det antages, at denne partikeloprettelsesproces er sket i det tidlige univers.
For at simulere denne proces valgte forskerne Friedman-Lemaitre-Robertson-Walker (FLRW) Universet-metrien til at beskrive rumtid. Denne metrisk beskriver, hvordan rumtiden ekspanderer homogent og isotropisk.
For kvantefeltet overvejer de et massivt skalarfelt, der udvikler sig i henhold til den modificerede Klein-Gordon-ligning for at redegøre for den buede, ekspanderende rumtid.
Endelig, for at beskrive partikeloprettelsesprocessen, brugte forskerne Bogoliubov -transformationer. Disse transformationer giver en måde for forskerne at beregne, hvor mange partikler der vil blive skabt til at ændre rumtider, dvs. initial og endelige tilstande.
Implementering af kvantekredsløbet
Forskerne designet et kvantekredsløb til at simulere denne proces ved hjælp af IBM’s 127-QUBIT EAGLE-processor.
Den oprindelige tilstand af universet var designet til at starte i vakuumtilstanden eller “nulpunktsenergi” -tilstand med en begrænsning af en excitation pr. Tilstand.
Efter dette implementerede forskerne kvantekredsløbet til partikeloprettelsesprocessen.
Maceda forklarede processen med at designe kvantekredsløbet og sagde: “Det første skridt i at designe kvantekredsløbet var at bestemme tidsudviklingsoperatøren af systemet. Dette blev opnået ved at relatere de indledende og endelige tilstande gennem Bogoliubov -transformationer.”
Dette trin gjorde det muligt for dem at beregne antallet af partikler, der blev oprettet under processen.
Maceda fortsatte, “Når vi etablerede dette forhold, tildelte vi de ophidsede tilstande i det skalære felt til specifikke qubits på kvantecomputeren.”
Forskerne kodede kvantefeltet til faktiske fysiske qubits, der hver svarede til systemets fire excitationsniveauer. Dette omfattede jordtilstand, en excitation hver i de positive og negative tilstande og en i begge tilstande.
“Endelig, der anvendte teknikker udviklet af min mentor Dr. Sabín, kortlagde vi tidsudviklingsoperatøren til enhedsoperationer, der handler på disse qubits, og sikrede, at deres udvikling nøjagtigt afspejlede dynamikken i det skalære felt i et ekspanderende univers,” sagde Maceda.
For at opnå kortlægningen af tidsudviklingsoperatøren til enhedsoperatører, der kan handle på qubits, brugte forskerne hundreder af kvanteporte.
Til fejlbegrænsning anvendte forskerne “nul-støjekstrapolering” (ZNE). Denne metode fungerer ved bevidst at tilføje støj til systemet på en kontrolleret måde, måle, hvordan støjen påvirker resultaterne, og derefter ekstrapolere bagud til nul-støjtilstand.
Et muligt værktøj til fremtidig forskning
Simuleringerne demonstrerede med succes partikeloprettelse i udvidelse af rumtid med resultater, der matcher teoretiske forudsigelser. Selvom resultaterne fra kvantecomputeren viste højere støj, demonstrerede den gennemførlighed.
Derudover forbedrede ZNE -teknikkerne signifikant resultaterne og demonstrerede levedygtigheden af at bruge kvantesimuleringer til undersøgelse af komplekse systemer.
Maceda forklarede virkningen af deres arbejde på kosmologi og sagde: “Vores arbejde giver en ny måde at simulere partikeloprettelse i det tidlige univers og tilbyde dybere indsigt i grundlæggende processer, der former kosmos.”
Forskerne mener også, at digitale kvantesimuleringer allerede er ved at blive og vil fortsætte med at blive levedygtige værktøjer til at undersøge kosmologiske fænomener.
“Digitale kvantesimuleringer er allerede blevet brugt af min mentor Dr. Sabín til at undersøge emner såsom gravitationsintrelement, Rindler -transformationer, der tegner sig for fordampning af sort hul og universets årsagsstruktur,” kommenterede Maceda.