Uma equipe de pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) usou um computador quântico para simular com sucesso um aspecto de colisões de partículas que é normalmente negligenciado em experimentos de física de alta energia. como aqueles que ocorrem no Grande Colisor de Hádrons do CERN.

O algoritmo quântico que desenvolveram é responsável pela complexidade dos chuveiros parton, que são explosões complicadas de partículas produzidas nas colisões que envolvem a produção de partículas e processos de decomposição.

Algoritmos clássicos normalmente usados ​​para modelar chuveiros parton, como os populares algoritmos Markov Chain Monte Carlo, ignorar vários efeitos baseados em quantum, os pesquisadores observam em um estudo publicado online em 10 de fevereiro no jornal Cartas de revisão física que detalha seu algoritmo quântico.

"Essencialmente, mostramos que você pode colocar um chuveiro parton em um computador quântico com recursos eficientes, "disse Christian Bauer, que é líder do Grupo de Teoria e atua como investigador principal para os esforços de computação quântica na Divisão de Física do Berkeley Lab, "e mostramos que existem certos efeitos quânticos que são difíceis de descrever em um computador clássico que você poderia descrever em um computador quântico." Bauer liderou o estudo recente.

Sua abordagem mescla a computação quântica e clássica:ela usa a solução quântica apenas para a parte das colisões de partículas que não podem ser tratadas com a computação clássica, e usa computação clássica para tratar de todos os outros aspectos das colisões de partículas.

Os pesquisadores construíram um chamado "modelo de brinquedo, "uma teoria simplificada que pode ser executada em um computador quântico real, embora ainda contenha complexidade suficiente que o impede de ser simulado usando métodos clássicos.

"O que um algoritmo quântico faz é computar todos os resultados possíveis ao mesmo tempo, então escolhe um, "Bauer disse." À medida que os dados ficam cada vez mais precisos, nossas previsões teóricas precisam ser cada vez mais precisas. E em algum ponto esses efeitos quânticos tornam-se grandes o suficiente para que realmente importem, "e precisam ser contabilizados.

Na construção de seu algoritmo quântico, pesquisadores consideraram os diferentes processos de partículas e resultados que podem ocorrer em um chuveiro parton, contabilizando o estado da partícula, histórico de emissão de partículas, se as emissões ocorreram, e o número de partículas produzidas no chuveiro, incluindo contagens separadas para bósons e para dois tipos de férmions.

O computador quântico "computou essas histórias ao mesmo tempo, e resumiu todas as histórias possíveis em cada estágio intermediário, "Bauer observou.

A equipe de pesquisa usou o chip IBM Q Johannesburg, um computador quântico com 20 qubits. Cada qubit, ou bit quântico, é capaz de representar um zero, 1, e um estado de chamada superposição em que representa um zero e um um simultaneamente. Essa superposição é o que torna os qubits excepcionalmente poderosos em comparação com os bits de computação padrão, que pode representar um zero ou um.

Os pesquisadores construíram um circuito de computador quântico de quatro etapas usando cinco qubits, e o algoritmo requer 48 operações. Os pesquisadores notaram que o ruído no computador quântico é provavelmente o responsável pelas diferenças nos resultados com o simulador quântico.

Embora os esforços pioneiros da equipe para aplicar a computação quântica a uma parte simplificada dos dados do colisor de partículas sejam promissores, Bauer disse que não espera que os computadores quânticos tenham um grande impacto no campo da física de alta energia por vários anos - pelo menos até que o hardware melhore.

Os computadores quânticos precisarão de mais qubits e muito menos ruído para ter um avanço real, Disse Bauer. "Muito depende da rapidez com que as máquinas melhoram." Mas ele observou que há um esforço enorme e crescente para que isso aconteça e é importante começar a pensar sobre esses algoritmos quânticos agora para estar pronto para os próximos avanços em hardware.

Esses saltos quânticos em tecnologia são o foco principal de um centro de P&D quântico colaborativo apoiado pelo Departamento de Energia do qual o Berkeley Lab faz parte, chamado de Quantum Systems Accelerator.

À medida que o hardware melhora, será possível contabilizar mais tipos de bósons e férmions no algoritmo quântico, o que melhorará sua precisão.

Esses algoritmos devem, eventualmente, ter amplo impacto no campo da física de alta energia, ele disse, e também poderia encontrar aplicação em experimentos de colisor de íons pesados.