O algoritmo quântico que desenvolveram é responsável pela complexidade dos chuveiros parton, que são explosões complicadas de partículas produzidas nas colisões que envolvem a produção de partículas e processos de decaimento.
Algoritmos clássicos normalmente usados para modelar chuveiros parton, como os populares algoritmos Markov Chain Monte Carlo, negligenciam vários efeitos baseados em quantum, observam os pesquisadores em um estudo publicado online em 10 de fevereiro na revista Physical Review Letters que detalha seu algoritmo quântico .
"Nós essencialmente mostramos que você pode colocar um chuveiro de parton em um computador quântico com recursos eficientes", disse Christian Bauer, que é o líder do Grupo de Teoria e é o principal investigador dos esforços de computação quântica na Divisão de Física do Berkeley Lab, "e nós ' mostramos que existem certos efeitos quânticos que são difíceis de descrever em um computador clássico que você poderia descrever em um computador quântico. " Bauer liderou o estudo recente.
Sua abordagem mescla a computação quântica e clássica: ela usa a solução quântica apenas para a parte das colisões de partículas que não pode ser tratada com a computação clássica, e usa a computação clássica para lidar com todos os outros aspectos das colisões de partículas.
Os pesquisadores construíram o chamado "modelo de brinquedo", uma teoria simplificada que pode ser executada em um computador quântico real enquanto ainda contém complexidade suficiente que impede que seja simulado usando métodos clássicos.
"O que um algoritmo quântico faz é computar todos os resultados possíveis ao mesmo tempo e, em seguida, escolher um", disse Bauer. "À medida que os dados ficam cada vez mais precisos, nossas previsões teóricas precisam ficar cada vez mais precisas. E em algum ponto esses efeitos quânticos tornam-se grandes o suficiente para que realmente importem" e precisam ser contabilizados.
Na construção de seu algoritmo quântico, os pesquisadores levaram em consideração os diferentes processos de partículas e resultados que podem ocorrer em um chuveiro parton, levando em consideração o estado da partícula, o histórico de emissão de partículas, se as emissões ocorreram e o número de partículas produzidas no chuveiro, incluindo contagens separadas para bósons e para dois tipos de férmions.
O computador quântico "computou essas histórias ao mesmo tempo e somou todas as histórias possíveis em cada estágio intermediário", observou Bauer.
A equipe de pesquisa usou o chip IBM Q Johannesburg, um computador quântico com 20 qubits. Cada qubit, ou bit quântico, é capaz de representar um zero, um e um estado da chamada superposição em que representa um zero e um um simultaneamente. Essa superposição é o que torna os qubits excepcionalmente poderosos em comparação com os bits de computação padrão, que podem representar zero ou um.
Os pesquisadores construíram um circuito de computador quântico de quatro etapas usando cinco qubits, e o algoritmo requer 48 operações. Os pesquisadores notaram que o ruído no computador quântico é provavelmente o responsável pelas diferenças nos resultados com o simulador quântico.
Embora os esforços pioneiros da equipe para aplicar a computação quântica a uma parte simplificada dos dados do colisor de partículas sejam promissores, Bauer disse que não espera que os computadores quânticos tenham um grande impacto no campo da física de alta energia por vários anos - pelo menos até o hardware melhora.
Os computadores quânticos precisarão de mais qubits e muito menos ruído para ter um avanço real, disse Bauer. "Muito depende da rapidez com que as máquinas melhoram." Mas ele observou que há um esforço enorme e crescente para que isso aconteça, e é importante começar a pensar sobre esses algoritmos quânticos agora para estar pronto para os próximos avanços em hardware.
Esses saltos quânticos na tecnologia são o foco principal de um centro de P&D quântico colaborativo apoiado pelo Departamento de Energia do qual o Berkeley Lab faz parte, chamado de acelerador de sistemas quânticos.
Conforme o hardware melhora, será possível contabilizar mais tipos de bósons e férmions no algoritmo quântico, o que aumentará sua precisão.
Esses algoritmos devem eventualmente ter amplo impacto no campo da física de alta energia, disse ele, e também podem encontrar aplicação em experimentos com colisor de íons pesados.
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