Onderzoekers Gebruiken Kwantumcomputers voor Simulatie van Extreme Materietoestanden

Onderzoeksteams van de Universiteit van Washington en het Lawrence Livermore National Laboratory hebben een cruciaal keerpunt bereikt in het domein van kwantummodellering. Door gebruik te maken van de rekenkracht van IBM's kwantumcomputers, markeert deze prestatie een verschuiving naar de praktische toepassing van kwantumtechnologieën voor het aanpakken van fundamentele natuurkundige vraagstukken.

De kern van deze doorbraak ligt in de ontwikkeling en implementatie van schaalbare kwantumcircuits. Deze circuits waren essentieel om de initiële toestand voor de simulatie van deeltjesbotsingen voor te bereiden. De focus lag hierbij specifiek op de sterke interacties die worden beschreven door het Standaardmodel van de deeltjesfysica. Een belangrijk bewijs van de toegenomen complexiteit van deze modellering was het succesvol nabootsen van de fundamentele kenmerken van de kernfysica. Dit werd bereikt met behulp van meer dan 100 qubits op de kwantumprocessors van IBM.

Klassieke supercomputers lopen tegen onoverkomelijke hindernissen aan wanneer ze de vergelijkingen moeten oplossen die de interactie van deeltjes in situaties met hoge dynamiek of extreme dichtheid beheersen. Dit maakt kwantumcomputing een onmisbaar instrument voor dit soort berekeningen. Het vermogen om deze complexe systemen te hanteren, is waar de kwantumbenadering zijn meerwaarde bewijst.

Het succesvol uitvoeren van de simulatie met meer dan 100 qubits bevestigt het vermogen om barrières te doorbreken bij het voorbereiden van ingewikkelde beginsituaties. Dit was voorheen een aanzienlijke belemmering gebleken in eerdere kwantumsimulaties. Voor het eerst hebben de onderzoekers schaalbare kwantumcircuits gecreëerd die een beginsituatie nabootsen die vergelijkbaar is met wat ontstaat bij botsingen in deeltjesversnellers. Dit is een vitale stap voorwaarts voor toekomstige dynamische simulaties.

Kwantumalgoritmen bieden een pad om de vacuümtoestand vóór een botsing te modelleren en om systemen met een extreem hoge dichtheid te onderzoeken. Het team heeft de verkregen resultaten aangewend om de eigenschappen van het vacuüm met een nauwkeurigheid van één procent te bepalen. Vervolgens konden zij de generatie van hadronische impulsen volgen en hun evolutie in de tijd traceren. De potentiële toepassingsgebieden reiken verder dan de kernfysica; ze omvatten ook de materiaalkunde en de geneeskunde.

Deze succesvolle simulatie, uitgevoerd op IBM-apparatuur met meer dan 100 qubits, gericht op de sterke interacties binnen het Standaardmodel, vertegenwoordigt een tastbare vooruitgang in de toepassing van opkomende kwantumtechnologieën op fundamentele wetenschappelijke uitdagingen. Dit onderzoek, waaraan entiteiten zoals IQuS (het Quantum Simulation Incubator) van de Universiteit van Washington deelnamen, onderstreept de levensvatbaarheid van een aanpak gebaseerd op schaalbare circuits voor het simuleren van exotische materietoestanden. Het is een bewijs dat de theorie nu de praktijk begint in te halen.