Ένας ερευνητής του Lawrence Berkeley National Laboratory κατάφερε, αξιοποιώντας απομακρυσμένη πρόσβαση σε κβαντικό υπολογιστή της IBM, να προσομοιώσει μια από τις σημαντικότερες διαδικασίες της σωματιδιακής φυσικής: την αδρονοποίηση (hadronization).
Αν και η προσομοίωση βασίστηκε σε ένα απλοποιημένο μοντέλο, αποτελεί σημαντικό βήμα προς τη χρήση των κβαντικών υπολογιστών για επιστημονικούς υπολογισμούς που ξεπερνούν τις δυνατότητες ακόμη και των ισχυρότερων κλασικών υπερυπολογιστών.
Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review D.
Τι είναι η αδρονοποίηση
Η αδρονοποίηση είναι η διαδικασία κατά την οποία δύο ή περισσότερα κουάρκ – τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία της ύλης – συνδέονται μέσω της ισχυρής πυρηνικής δύναμης και σχηματίζουν σύνθετα σωματίδια, γνωστά ως αδρόνια.
Τα πιο γνωστά αδρόνια είναι τα πρωτόνια και τα νετρόνια, τα οποία αποτελούν τους πυρήνες των ατόμων. Η βαθύτερη κατανόηση αυτής της διαδικασίας μπορεί να αποκαλύψει περισσότερα για τη δομή της ύλης και, κατ’ επέκταση, για τη λειτουργία του ίδιου του Σύμπαντος.
Οι πειραματικές συγκρούσεις σωματιδίων, όπως αυτές που πραγματοποιούνται στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του CERN, επιτρέπουν στους επιστήμονες να παρατηρούν μόνο έμμεσα τα κουάρκ, καθώς αυτά μετατρέπονται σχεδόν ακαριαία σε αδρόνια. Για τον λόγο αυτό, οι υπολογιστικές προσομοιώσεις είναι απαραίτητες για να συμπληρωθούν τα κενά των παρατηρήσεων.
«Κατ’ αρχήν γνωρίζουμε τη θεωρία που περιγράφει την αδρονοποίηση, όμως αδυνατούσαμε να κάνουμε προβλέψεις επειδή οι υπολογισμοί ήταν υπερβολικά δύσκολοι για έναν κλασικό υπολογιστή. Σε έναν κβαντικό υπολογιστή, όμως, μπορούμε να προβλέψουμε άμεσα τις λεπτομέρειες της διαδικασίας, κάτι που θα βοηθήσει στις αναζητήσεις νέας φυσικής σε επιταχυντές όπως ο LHC», δήλωσε ο επικεφαλής της έρευνας Anthony Ciavarella.
Γιατί οι κλασικοί υπολογιστές δυσκολεύονται
Η προσομοίωση της κβαντικής χρωμοδυναμικής (QCD), δηλαδή της θεωρίας που περιγράφει την ισχυρή πυρηνική δύναμη μεταξύ κουάρκ και γκλουονίων, αποτελεί τεράστια πρόκληση για τους συμβατικούς υπολογιστές.
Τα κουάρκ και τα γκλουόνια βρίσκονται σε πολύπλοκες καταστάσεις κβαντικής διεμπλοκής, γεγονός που απαιτεί εκθετικά αυξανόμενη υπολογιστική ισχύ και μνήμη. Κάθε νέο σωματίδιο ή χρονικό βήμα διπλασιάζει ουσιαστικά τις απαιτήσεις του υπολογισμού.
Οι κβαντικοί υπολογιστές, αντίθετα, χρησιμοποιούν qubits, τα οποία μπορούν να βρίσκονται ταυτόχρονα σε πολλαπλές καταστάσεις, όπως ακριβώς συμβαίνει και στα κβαντικά σωματίδια. Έτσι μπορούν να περιγράψουν πολύ πιο αποδοτικά τέτοια φυσικά συστήματα.
«Ένας από τους αρχικούς λόγους για τους οποίους κατασκευάζονται οι κβαντικοί υπολογιστές είναι ότι ενσωματώνουν φυσικά αυτά τα κβαντικά φαινόμενα. Στις προσομοιώσεις υποατομικών συστημάτων έχουμε μεγάλες ποσότητες διεμπλοκής και κβαντικών συσχετίσεων που δεν μπορούν να αναπαρασταθούν αποτελεσματικά σε έναν συμβατικό υπολογιστή», εξήγησε ο Ciavarella.
Η προσομοίωση με 104 qubits
Στόχος της ομάδας είναι η ανάπτυξη υπολογιστικών τεχνικών που θα επιτρέψουν μελλοντικά την πλήρη προσομοίωση της κβαντικής χρωμοδυναμικής σε ισχυρότερους κβαντικούς υπολογιστές.
Για το πρώτο αυτό βήμα χρησιμοποιήθηκε ένας επεξεργαστής Heron της IBM Quantum Platform, αξιοποιώντας 104 από τα συνολικά 156 qubits του συστήματος.
Οι ερευνητές απλοποίησαν το πρόβλημα χρησιμοποιώντας βαριά κουάρκ, τα οποία είναι ευκολότερο να προσομοιωθούν επειδή η μεγαλύτερη μάζα τους περιορίζει τη χωρική εξάπλωσή τους. Στη συνέχεια τα αποτελέσματα μπορούν να επεκταθούν θεωρητικά και στη συμπεριφορά των ελαφρύτερων κουάρκ.
Παράλληλα εφαρμόστηκε μια ειδική υπολογιστική τεχνική που είχε συν-αναπτύξει ο Ciavarella κατά τη διάρκεια των μεταπτυχιακών του σπουδών, ώστε τα qubits να προετοιμαστούν στη χαμηλότερη δυνατή ενεργειακή κατάσταση, γνωστή ως κβαντικό κενό.
«Η ιδέα είναι να βελτιστοποιούμε αυτά τα κυκλώματα αρχικά σε μικρά συστήματα και στη συνέχεια να αυξάνουμε σταδιακά το μέγεθός τους. Έτσι μπορούμε να προβλέψουμε πώς θα λειτουργήσουν ακόμη και σε εκατοντάδες qubits», ανέφερε.
Η διάσπαση της χορδής και τα πρώτα αποτελέσματα
Η προσομοίωση περιορίστηκε σε μία διάσταση, με τα σωματίδια να κινούνται μόνο προς δύο κατευθύνσεις. Παρότι πρόκειται για απλοποιημένο μοντέλο, επέτρεψε στους επιστήμονες να εξετάσουν τη διαδικασία της διάσπασης της χορδής (string breaking).
Τα κουάρκ συνδέονται μεταξύ τους μέσω «χορδών» γκλουονίων. Καθώς απομακρύνονται μετά από μια σύγκρουση, η χορδή τεντώνεται μέχρι να συγκεντρώσει αρκετή ενέργεια ώστε να σπάσει, δημιουργώντας ένα νέο ζεύγος κουάρκ και αντικουάρκ, τα οποία σχηματίζουν νέα αδρόνια.
Τα αποτελέσματα συμφώνησαν με προηγούμενες προσομοιώσεις που είχαν πραγματοποιηθεί σε κλασικούς υπερυπολογιστές.
Ένα εντυπωσιακό εύρημα
Ένα από τα σημαντικότερα αποτελέσματα ήταν ότι στο κέντρο της χορδής των γκλουονίων παρατηρήθηκε συμπεριφορά που θυμίζει αέριο σε πεπερασμένη θερμοκρασία λίγο πριν αυτή διασπαστεί.
«Ένα από τα ευρήματα που επιβεβαιώσαμε είναι ότι το κέντρο της χορδής αρχίζει να μοιάζει σαν να μετατρέπεται σε αέριο σε συγκεκριμένη θερμοκρασία πριν διαχωριστεί. Αν αυτό επαναληφθεί και σε άλλα απλοποιημένα μοντέλα, τότε είναι πιθανότερο να αποτελεί πραγματικό χαρακτηριστικό της κβαντικής χρωμοδυναμικής που περιγράφει τον κόσμο μας», δήλωσε ο Ciavarella.
Οι ερευνητές σχεδιάζουν πλέον να επεκτείνουν την προσομοίωση σε δύο διαστάσεις, αξιοποιώντας ισχυρότερους κβαντικούς υπολογιστές και βελτιωμένους αλγορίθμους, με στόχο να πλησιάσουν ακόμη περισσότερο την πραγματική συμπεριφορά των υποατομικών σωματιδίων.