Znanstveniki z novim modelom kvantne mehanike korak bližje razumevanju strukture vesolja

Znanstvenik Anthony Ciavarella iz laboratorija Lawrence Berkeley National Laboratory je z oddaljenim dostopom do kvantnega računalnika IBM uspešno simuliral hadronizacijo. Gre za proces, ki se zgodi, ko se kvarki (osnovni gradniki snovi) zaradi močne jedrske sile povežejo v sestavljene delce, imenovane hadroni. Najbolj znana primera hadronov sta proton in nevtron, ki tvorita atomska jedra. Ker fizikalni eksperimenti v pospeševalnikih, kot je LHC v CERN-u, ne morejo neposredno izmeriti vsakega koraka tega procesa pred samim nastankom hadronov, morajo znanstveniki vrzeli zapolniti z računalniškimi simulacijami.

Tu pa klasični računalniki naletijo na nepremostljivo oviro. Teorija, ki opisuje močno jedrsko silo (kvantna kromodinamična teorija oziroma QCD), namreč zahteva eksponentno količino pomnilnika in procesorske moči za izračun vseh možnih kvantnih stanj delcev. Količina potrebnega pomnilnika se podvoji z vsakim novim delcem ali časovnim korakom. Kvantni računalniki po drugi strani uporabljajo kvantne bite ali kubite, ki lahko zaradi pojava kvantne superpozicije obstajajo v več stanjih hkrati (kot binarne enice in ničle hkrati) ter naravno posnemajo prepletenost subatomskih delcev.

Ciavarella je za premagovanje omejitev trenutne generacije kvantnega hardvera uporabil tri ključne poenostavitve. Najprej je uporabil limito težkih kvarkov pri simulaciji pretrganja strune, saj se težji kvarki manj razpršijo in jih je lažje umestiti v simulacijsko mrežo, rezultate pa je nato mogoče ekstrapolirati na lažje kvarke. Nato je vpeljal skalarni variacijski reševalnik, ki optimizira vezja na majhnem številu kubitov in nato parametre skalira na večje sisteme, kar je omogočilo stabilizacijo kvantnega vakuuma na procesorju Heron z uporabo 104 kubitov. Kot zadnjo poenostavitev pa je gibanje delcev omejil na eno dimenzijo, torej zgolj v smer levo in desno.

Kljub tem poenostavitvam je simulacija uspešno poustvarila mehanizem “pretrganja strune”. Ko se kvarki ob trku oddaljujejo, se gluonska struna med njimi razteza, dokler se ne pretrga, pri čemer se sprosti energija za nastanek novega para kvark-antikvark. Kvantni računalnik je potrdil opazovanja iz klasičnih superračunalnikov, saj je pokazal, da v sredini gluonske strune tik pred pretrganjem snov začne prehajati v plinasto stanje pri končni temperaturi. To nakazuje, da gre za resnično lastnost delovanja našega vesolja, projekt pa dokazuje, da bodo kvantni sistemi kmalu sposobni opravljati izračune, ki daleč presegajo zmožnosti klasičnih strojev.