Naukowcy wykorzystali komputery kwantowe do symulacji ekstremalnych stanów materii

Grupy badawcze z Uniwersytetu Waszyngtońskiego oraz Narodowego Laboratorium Lawrence'a Livermore'a odnotowały znaczący postęp w dziedzinie modelowania kwantowego. Wykorzystując zasoby obliczeniowe komputerów kwantowych firmy IBM, naukowcy dokonali przełomu, który symbolizuje przejście do praktycznego stosowania technologii kwantowych w rozwiązywaniu fundamentalnych problemów fizyki.

Kluczem do tego osiągnięcia było opracowanie i wdrożenie skalowalnych obwodów kwantowych. Umożliwiły one przygotowanie stanu początkowego dla symulacji kolizji cząstek, koncentrując się na silnych oddziaływaniach opisanych przez Model Standardowy. Dowodem na rosnącą złożoność modelowania było pomyślne odtworzenie kluczowych cech fizyki jądrowej przy użyciu ponad 100 kubitów na procesorach kwantowych IBM. Klasyczne superkomputery napotykają na nieprzekraczalne trudności przy rozwiązywaniu równań rządzących interakcjami cząstek w warunkach wysokiej dynamiki lub ekstremalnej gęstości, co czyni obliczenia kwantowe niezbędnym narzędziem.

Pomyślna symulacja z udziałem ponad 100 kubitów potwierdza zdolność do pokonywania barier w przygotowywaniu skomplikowanych stanów początkowych. Było to wcześniej postrzegane jako poważna przeszkoda w symulacjach kwantowych. W projekcie uczestniczyli specjaliści z Uniwersytetu Waszyngtońskiego, Laboratorium Lawrence'a Livermore'a oraz korporacji IBM, która udostępniła swoje systemy. Badacze po raz pierwszy stworzyli skalowalne obwody kwantowe dla stanu początkowego analogicznego do tego, który powstaje podczas zderzeń w akceleratorach cząstek. Jest to krok krytyczny dla przyszłych symulacji dynamicznych.

Te skalowalne algorytmy kwantowe otwierają drogę do modelowania stanu próżni przed zderzeniem oraz do badania układów o wyjątkowo wysokiej gęstości. Zespół wykorzystał uzyskane wyniki do określenia właściwości próżni z dokładnością do jednego procenta, a także do generowania impulsów hadronów i śledzenia ich ewolucji w czasie. Potencjalne zastosowania wykraczają poza fizykę jądrową, obejmując między innymi materiałoznawstwo i medycynę.

Współpraca między środowiskiem akademickim a przemysłem, w tym przypadku między Uniwersytetem Waszyngtońskim, Laboratorium Livermore'a a IBM, jest znamienna dla rozwoju informatyki kwantowej. Dla przykładu, w styczniu 2025 roku NERSC w Laboratorium Livermore'a uruchomiło także Centrum Innowacji IBM Quantum, aby zapewnić użytkownikom dostęp do komputerów kwantowych IBM w celach naukowych. Świadczy to o ogólnej tendencji do włączania zasobów kwantowych do obliczeń naukowych na dużą skalę.

Podsumowując, udana symulacja z wykorzystaniem ponad 100 kubitów na sprzęcie IBM, ukierunkowana na badanie silnych oddziaływań w ramach Modelu Standardowego, stanowi namacalny krok naprzód w stosowaniu rozwijających się technologii kwantowych do fundamentalnych wyzwań naukowych. Badanie to, w którym brały udział takie jednostki jak IQuS (Inkubator Modelowania Kwantowego) na Uniwersytecie Waszyngtońskim, potwierdza żywotność podejścia opartego na skalowalnych obwodach dla symulacji egzotycznych stanów materii. To naprawdę krok milowy, który otwiera nowe horyzonty.