Application de l’informatique quantique à un processus de particules – Technoguide

Une équipe de chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) a utilisé un ordinateur quantique pour simuler avec succès un aspect des collisions de particules qui est généralement négligé dans les expériences de physique à haute énergie, comme celles qui se produisent au Grand collisionneur de hadrons du CERN.

L’algorithme quantique qu’ils ont développé tient compte de la complexité des pluies de partons, qui sont des salves complexes de particules produites dans les collisions qui impliquent des processus de production et de désintégration de particules.

Les algorithmes classiques généralement utilisés pour modéliser les douches de partons, tels que les algorithmes populaires Markov Chain Monte Carlo, négligent plusieurs effets quantiques, notent les chercheurs dans une étude publiée en ligne le 10 février dans la revue Physical Review Letters qui détaille leur algorithme quantique.

“Nous avons essentiellement montré que vous pouvez mettre une douche parton sur un ordinateur quantique avec des ressources efficaces”, a déclaré Christian Bauer, qui est le leader du groupe Theory et sert de chercheur principal pour les efforts de calcul quantique dans la division de physique de Berkeley Lab, “et nous ‘ J’ai montré qu’il existe certains effets quantiques difficiles à décrire sur un ordinateur classique que vous pourriez décrire sur un ordinateur quantique. ” Bauer a dirigé l’étude récente.

Leur approche maille le calcul quantique et classique: elle n’utilise la solution quantique que pour la partie des collisions de particules qui ne peut pas être traitée avec le calcul classique, et utilise le calcul classique pour traiter tous les autres aspects des collisions de particules.

Les chercheurs ont construit un soi-disant «modèle de jouet», une théorie simplifiée qui peut être exécutée sur un ordinateur quantique réel tout en contenant suffisamment de complexité pour l’empêcher d’être simulée à l’aide de méthodes classiques.

“Ce qu’un algorithme quantique fait, c’est calculer tous les résultats possibles en même temps, puis en choisir un”, a déclaré Bauer. «Au fur et à mesure que les données deviennent de plus en plus précises, nos prédictions théoriques doivent être de plus en plus précises. Et à un moment donné, ces effets quantiques deviennent suffisamment importants pour qu’ils comptent réellement» et doivent être pris en compte.

En construisant leur algorithme quantique, les chercheurs ont pris en compte les différents processus de particules et les résultats qui peuvent se produire dans une douche de partons, en tenant compte de l’état des particules, de l’historique des émissions de particules, de la survenue d’émissions et du nombre de particules produites dans la douche, y compris des comptages séparés pour bosons et pour deux types de fermions.

L’ordinateur quantique “a calculé ces histoires en même temps, et a résumé toutes les histoires possibles à chaque étape intermédiaire”, a noté Bauer.

L’équipe de recherche a utilisé la puce IBM Q Johannesburg, un ordinateur quantique de 20 qubits. Chaque qubit, ou bit quantique, est capable de représenter un zéro, un et un état de soi-disant superposition dans lequel il représente à la fois un zéro et un un simultanément. Cette superposition est ce qui rend les qubits particulièrement puissants par rapport aux bits de calcul standard, qui peuvent représenter un zéro ou un.

Les chercheurs ont construit un circuit informatique quantique en quatre étapes utilisant cinq qubits, et l’algorithme nécessite 48 opérations. Les chercheurs ont noté que le bruit dans l’ordinateur quantique est susceptible d’être responsable des différences de résultats avec le simulateur quantique.

Alors que les efforts pionniers de l’équipe pour appliquer l’informatique quantique à une partie simplifiée des données des collisionneurs de particules sont prometteurs, Bauer a déclaré qu’il ne s’attend pas à ce que les ordinateurs quantiques aient un impact important sur le domaine de la physique des hautes énergies pendant plusieurs années – du moins jusqu’à le matériel s’améliore.

Les ordinateurs quantiques auront besoin de plus de qubits et de beaucoup moins de bruit pour avoir une véritable percée, a déclaré Bauer. “Beaucoup dépend de la rapidité avec laquelle les machines s’améliorent.” Mais il a noté qu’il y avait un effort énorme et croissant pour y parvenir, et il est important de commencer à penser à ces algorithmes quantiques maintenant pour être prêt pour les progrès à venir du matériel.

Ces sauts quantiques dans la technologie sont l’un des principaux objectifs d’un centre de recherche et développement quantique collaboratif soutenu par le ministère de l’Énergie dont le laboratoire de Berkeley fait partie, appelé l’accélérateur de systèmes quantiques.

Au fur et à mesure que le matériel s’améliorera, il sera possible de prendre en compte plus de types de bosons et de fermions dans l’algorithme quantique, ce qui améliorera sa précision.

De tels algorithmes devraient éventuellement avoir un large impact dans le domaine de la physique des hautes énergies, a-t-il déclaré, et pourraient également trouver une application dans des expériences de collisionneurs d’ions lourds.

Ont également participé à l’étude Benjamin Nachman et Davide Provasoli de la division de physique du laboratoire de Berkeley, et Wibe de Jong de la division de recherche computationnelle du laboratoire de Berkeley.

Ce travail a été soutenu par le US Department of Energy Office of Science. Il a utilisé les ressources du Oak Ridge Leadership Computing Facility, qui est une installation utilisateur du DOE Office of Science.

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