Nie kubity, a… kudity. Przełom w informatyce kwantowej i fizyce!

Czy komputer kwantowy może odkryć nowe prawa fizyki? Być może. Ale najpierw musi nauczyć się naśladować te już znane. W najnowszym eksperymencie naukowcy pokazali, iż można to zrobić efektywniej, wykorzystując nie kubity, a… kudity. Zapinamy pasy, bo będzie ciekawie.

W fizyce cząstek elementarnych cały Wszechświat opisuje się dzięki cechowania (odnosząc się do gauge theories). Są to w uproszczeniu matematyczne ramy, które tłumaczą, jak materia i siły wzajemnie na siebie oddziałują. Problem w tym, iż klasyczne komputery ledwo dają sobie z nimi radę, zwłaszcza gdy chcemy symulować zjawiska w czasie rzeczywistym albo duże zagęszczenia materii. Dlatego fizycy zwrócili się ku komputerom kwantowym. Ale i tu pojawiła się bariera: w dalszym ciągu zbyt duże zużycie zasobów przy użyciu klasycznych kubitów.

Bardziej naturalny język dla fizyki

Kubity to kwantowe odpowiedniki bitów, które przyjmują wartość 0 lub 1 (lub ich superpozycję). Tymczasem wiele wielkości fizycznych, takich jak pole elektryczne czy magnetyczne w ramach cechowania, przyjmuje cały zakres wartości — np. –∞, …, -1, 0, 1, …, ∞. Konieczne jest ich „przycięcie” (lub jak kto woli „trunkacja”), ale choćby wtedy lepiej reprezentuje je kudit: cząstka kwantowa z wieloma poziomami energetycznymi.

Badania pokazują, iż możemy zbudować komputer kwantowy oparty o kudity i przy jego pomocy zasymulować dwuwymiarową teorię elektrodynamiki kwantowej z pełnymi polami i cząstkami. To pierwszy raz, kiedy udało się to tak efektywnie w 2D, nie tylko w uproszczonym 1D.

Jeden układ, wiele informacji

W eksperymencie łączącym wiele przeróżnych ośrodków badawczych wykorzystano jony wapnia uwięzione w pułapce elektromagnetycznej. Każdy jon może mieć wiele poziomów energetycznych, co czyni go naturalnym kandydatem na kudit. W ten sposób udało się zredukować rozmiar rejestru pamięci kwantowej i złożoność obliczeniową obwodów. Dla uproszczonego modelu (najmniejszy element siatki lub matrycy) wystarczył jeden kutryt i cztery kubity.

Czytaj dalej poniżej

W układzie tym pokazano, jak wirtualne pary cząstek wpływają na pola magnetyczne, oraz jak zmienia się tzw. wartość oczekiwana operatora — kluczowa dla analizy zjawisk czysto dwuwymiarowych.

Płynne przejście

Fizycy poszli krok dalej: pokazali, iż można kontrolować dokładność reprezentacji pola. Używając pięciopoziomowego kuditu, uzyskali lepsze wyniki w reżimie słabego sprzężenia. Pokazano również, iż zależnie od siły sprzężenia warto przechodzić między reprezentacją elektryczną a magnetyczną pola. I tak oto, w elegancki naukowo sposób zrobiono istotny krok w stronę realistycznych symulacji cząstek i ich oddziaływań.

W ostatnim etapie badania zrealizowano cyfrową symulację ewolucji czasowej: od stanu początkowego (próżni) do stanu dynamicznego, gdzie tworzyły się i zanikały pary cząstek. Towarzyszyło temu powstawanie i zanikanie pola magnetycznego. A to akurat zjawiska, które w fizyce cząstek mają fundamentalne znaczenie.

O krok od 3D

Skoro udało się zbudować układ dla 2D, to przejście do 3D nie wymaga wielkiej rewolucji, a raczej odpowiedniej skali. Technologia kuditowa okazuje się idealna do tego celu: nie tylko zmniejsza potrzeby użycia pamięci, ale również ułatwia projektowanie bramek i interakcji dopasowanych do konkretnych zjawisk. jeżeli kiedyś komputer kwantowy faktycznie pomoże odkryć nowe prawa fizyczne — być może stanie się to dzięki kuditom.