_ Cracarea cod cuantic: simulările urmăresc quarcii încurcați

Astăzi, cuvântul „cuantic” este peste tot — în numele companiilor, titlurile de filme, chiar și în cinematografe. Dar, în esență, conceptul de cuantică – cea mai mică cantitate discretă de ceva – a fost dezvoltat pentru a explica comportamentul celor mai mici bucăți de materie și energie.

În ultimul secol, oamenii de știință au dezvoltat descrieri matematice ale modului în care aceste particule și pachete de energie interacționează și și-au folosit înțelegerea „mecanicii cuantice” pentru a proiecta o serie de tehnologii uimitoare — de la computere și telefoane mobile la telescoape și nave spațiale.

Noi aplicații, cum ar fi computere cuantice puternice și rețele de comunicații cuantice sunt doar peste orizont. Dar chiar înainte ca aceste aplicații să ajungă la curentul de masă, oamenii de știință dezvoltă cod cuantic pentru a efectua calcule cuantice și îl folosesc pentru a urmări sisteme cuantice complexe.

Într-un exemplu recent, teoreticienii și oamenii de știință computaționali de la Departamentul de Energie al SUA (DOE) Brookhaven National Laboratory și Stony Brook University (SBU) au efectuat o serie de simulări cuantice pentru a explora una dintre cele mai ciudate caracteristici ale tărâmului cuantic: întanglementul. Studiul aduce cuantica înapoi la rădăcini în căutarea de a explica comportamentul particulelor subatomice.

„Ideea esențială din spatele încurcăturii este că două obiecte cuantice – să zicem, două particule – pot fi corelate sau pot fi conștiente de una. altul, chiar dacă sunt despărțiți de distanțe foarte mari”, a explicat teoreticianul Brookhaven Lab/SBU Dmitri Kharzeev, care a condus cercetarea. Einstein a numit-o „acțiune înfricoșătoare la distanță”. Dar nenumărate experimente au arătat că efectul înfricoșător este real.

Pentru a face un pas mai departe, Kharzeev și colegii săi au vrut să vadă dacă încurcarea persistă în jeturile de particule secundare - cascade de particule produse de fragmentarea particule presupuse încurcate emise din ciocnirile cu particule de înaltă energie. Ei au dezvoltat simulări pentru a căuta corelații între particulele dintr-un jet cu cele dintr-un jet produse spate la spate de același eveniment inițial.

Simulările lor, descrise într-o publicație în Physical Review Letters, au relevat persistente. încurcare puternică, cel puțin pentru distanțe scurte.

Rezultatele oferă o bază pentru testarea acestor predicții în experimente de fizică nucleară la Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) de la Brookhaven Lab, Large Hadron Collider (LHC) la Laboratorul CERN din Europa și viitorul colisionator electron-ion (EIC), aflat acum în faza de proiectare la Brookhaven. În plus, metoda, care a folosit codul cuantic rulat pe un supercomputer clasic, oferă perspective asupra modalităților de modernizare și de valorificare a activelor de calcul existente pentru rularea calculelor cuantice până când apar computere cuantice mai practice.

„Dacă produci. un quarc și un antiquarc spate în spate într-o coliziune cu energie înaltă, vă așteptați ca aceste două particule să fie încurcate, deoarece au fost produse în aceeași interacțiune”, a spus coautorul studiului Adrien Florio, un membru Goldhaber care lucrează cu Kharzeev la Brookhaven Lab's Physics. Departament. „Dar detectarea acestei încurcături nu este ușoară, deoarece nu putem observa quarcii în mod direct. Quarcii și antiquarcii trebuie să fie întotdeauna „confinați” – împerecheați sau triplati pentru a forma particule compozite numite hadroni.”

Enigma de izolare înseamnă că, de îndată ce quarcul și antiquarcul ies din ciocnire, încep imediat să-și cedeze energia în fața vidului din jur. Acea energie generează noi perechi quark-antiquark — o cascadă, sau jet, de hadroni legați pentru fiecare particulă inițială.

Modelele tradiționale de producție cu jet oferă descrieri probabilistice ale particulelor care alcătuiesc jeturile în trei dimensiuni. Căutarea corelațiilor unu-la-unu ale unei anumite particule într-un jet cu o particulă în celălalt ar fi o provocare enormă.

„Înainte de calculul cuantic, nici nu știam cum să rezolvăm acest lucru”, a spus Florio.

Dar prin simularea particulelor folosind qubiți, unitățile fundamentale ale calculului cuantic, oamenii de știință ar putea testa dacă qubiții reprezentând puncte individuale din spațiu și timp au fost încurși. În plus, au folosit un cadru teoretic mai simplu care a redus complexitatea jeturilor la doar două dimensiuni – o dimensiune spațială plus timpul.

„Deoarece quarcul și antiquarcul sunt produse la energii foarte mari, se mișcă ca gloanțe în vidul cuantic de-a lungul unei linii drepte”, a spus Florio. „Căutăm doar corelații între qubiții care reprezintă particule de-a lungul acelei traiectorii drepte în timp.”

Calculele au fost concepute în colaborare cu Kwang Min Yu de la Brookhaven Lab’s Computational Science Initiative (CSI) pentru a arăta dacă „entropia de încrucișare” a unui hadron într-un anumit punct din traiectoria unui jet a fost corelată cu entropia de încâlcire a unui hadron în punctul corespunzător din jetul opus.

„Entropia este o măsură a incertitudinii,” a explicat Kharzeev. „Când ai mult haos și incertitudine în viața ta, viața ta are o cantitate mare de entropie.” Stările cuantice pure, dimpotrivă, au entropie de încrucișare zero. „În astfel de stări, totul este sub control. Știi exact în ce stare te afli, așa că nu există nicio incertitudine”, a spus el.

Dar dacă două stări cuantice pure — particule sau qubiți — sunt încurcate, „Dacă faci ceva într-una, atunci ceva se va întâmpla în cealaltă”, a explicat el. „Aceasta înseamnă că, dacă măsoară doar una, nu dețin informații complete despre el, deoarece o parte din starea sa este controlată de o altă stare cuantică la care nu am acces. Va exista o oarecare incertitudine asupra proprietăților și comportamentului său”. Valoarea entropiei nu va fi zero.

„Este ca și cum ai fi într-o relație strânsă cu cineva și orice face această persoană te afectează și invers. Deci asta înseamnă că nu deții controlul complet asupra a ceea ce se întâmplă. Acesta este același lucru la nivel cuantic”, a spus Kharzeev.

Pentru a detecta aceste încurcături, oamenii de știință au căutat corelații între qubiții reprezentând particule la diferite distanțe de punctul de coliziune. Kharzeev a asemănat calculele cu aruncarea zarurilor și măsurarea probabilității ca aruncarea unui anumit număr pe unul să producă același număr pe celălalt.

„Cu particulele, determinați dacă o particulă a fost produsă într-un punct din spațiu. corespunde unuia din același punct din spațiu de pe partea opusă a coliziunii. Dacă se potrivesc o dată, ar putea fi o coincidență. Dar dacă arunci „zarurile” de un milion de ori studiind milioane de evenimente și arată întotdeauna dacă aveți rezultate identice, atunci știți că aceste particule sunt corelate sau încurcate”, a spus el.

Oamenii de știință au descoperit că corelațiile cuantice dintre hadronii simulați există și sunt destul de puternice. „Dar în simulările noastre, vedem că corelațiile dispar dacă separarea dintre particulele secundare este mare”, a spus el.

Descoperirile oferă o bază pentru a testa dacă încurcarea persistă și moare odată cu creșterea distanței în experimente la RHIC, LHC și viitorul EIC.

Chiar dacă oamenii de știință și-au scris simulările folosind codul cuantic, au efectuat calculele pe un supercomputer clasic la Centrul Național de Cercetare în Energetică (NERSC) de la DOE. Lawrence Berkeley National Laboratory.

„Deocamdată, puteți obține rezultate foarte semnificative pentru un număr mic de qubiți, simulând comportamentul acestora pe un computer clasic”, a explicat Yu de la CSI.

Kharzeev și Yu lucrează cu colaboratori la NVIDIA, compania care a dezvoltat inițial unitățile de procesare grafică (GPU) utilizate în cele mai puternice supercomputere de astăzi, pentru a face computerele clasice și mai potrivite pentru rularea simulărilor cuantice.

„Puteți rearanja porțile cuantice pentru a le optimiza pentru a efectua simulări cuantice”, a spus Yu.

Dar chiar și aceste computere clasice optimizate vor depăși în cele din urmă când numărul de qubiți necesar pentru simulările cresc — așa cum trebuie pentru urmărirea evoluției avioanelor pe timp mai lung pe distanțe mai mari, de exemplu.

Sunt în curs de desfășurare multe eforturi pentru a îmbunătăți performanța computerelor cuantice, în special pentru a îmbunătăți atenuarea erorilor. Kharzeev participă la această activitate ca parte a Centrului de Co-design pentru Avantaj Cuantic (C2QA), un centru național de cercetare în Știința Informației Cuantice (QIS) condus de Brookhaven Lab.

„Mulți oameni lucrează pentru a rezolva provocările construirii computerelor cuantice”, a spus Kharzeev. „Sunt încrezător că, în viitorul apropiat, vom putea rula o mare varietate de simulări cuantice mai complexe pe aceste mașini de ultimă generație, folosind cunoștințele pe care le-am dobândit deja despre interacțiunile cuantice pentru a explora în continuare comportamentul particulele cuantice care alcătuiesc lumea noastră.”

(Fluierul)