Penelitian tentang partikel -partikel elementer dan interaksinya sangat penting bagi pemahaman kita tentang alam semesta. Sebuah tim dari universitas Innsbruck dan Waterloo menunjukkan bagaimana jenis komputer kuantum baru membuka pintu ke dunia fisika partikel.
Model standar fisika partikel memberikan deskripsi terbaik hingga saat ini dari kekuatan dan partikel yang membentuk dunia kita. Dalam model ini, semua proses dijelaskan oleh bidang yang berinteraksi yang menembus seluruh ruang. Ini disebut sebagai teori medan kuantum, di mana partikel dan gaya mekanik kuantum muncul sebagai eksitasi medan.
Studi tentang teori -teori lapangan tersebut tidak hanya bergantung pada akselerator partikel, tetapi khususnya pada simulasi komputer yang kompleks. Namun, dalam banyak kasus, perhitungan mekanik kuantum yang diperlukan melebihi kemampuan superkomputer terbaik kami. Akibatnya, blok bangunan penting dalam pemahaman kita tentang dunia kita tetap tertutup bagi kita.
Tim yang dipimpin oleh Martin Ringbauer dari Institute of Experimental Physics di University of Innsbruck dan Christine Muschik dari University of Waterloo, Kanada, sekarang melaporkan dalam jurnal Fisika Alam Bagaimana mereka berhasil mereproduksi teori medan kuantum lengkap dalam dua arah spasial pada komputer kuantum baru.
Representasi alami bidang kuantum
Elektrodinamika kuantum mungkin merupakan teori lapangan yang paling relevan untuk kehidupan sehari -hari kita. Ini menggambarkan fenomena elektromagnetisme, dari listrik dan cahaya hingga gaya yang menyatukan materi. Namun, tantangan utama dalam simulasi komputer dari teori semacam itu adalah representasi mekanik kuantum dari medan listrik. Bidang dapat mengambil kekuatan dan arahan yang berbeda dan karenanya tidak dapat dengan mudah diterjemahkan ke dalam representasi bit-by-bit dari komputer kita.
Namun, komputer kuantum berdasarkan ion yang disimpan juga tidak terikat pada operasi biner. Komputer kuantum seperti itu berdasarkan qubit, bukan qubit, menawarkan kondisi ideal untuk perhitungan dalam fisika partikel. “Pendekatan kami memungkinkan representasi alami bidang seperti yang terjadi di alam,” kata Michael Meth, penulis pertama penelitian ini. “Ini sangat menyederhanakan masalahnya.” Para peneliti sekarang telah mampu mengamati proses mendasar elektrodinamika kuantum dalam percobaan.
Potensi besar untuk fisika partikel
Pembentukan pasangan partikel-antipartikel sudah ditunjukkan di Innsbruck pada tahun 2016. “Pada saat itu, kami bekerja di ruang satu dimensi di mana ladang tidak harus disimulasikan secara eksplisit,” jelas Christine Muschik. Sekarang tim menghadirkan simulasi pertama dalam dua dimensi spasial. “Selain formasi pasangan, kami juga melihat medan magnet membangun, dan tidak ada yang seperti itu dalam satu dimensi,” kata Muschik.
Karya elektrodinamika kuantum yang disajikan di sini hanyalah permulaan. Dengan hanya beberapa qubit, dimungkinkan tidak hanya untuk mensimulasikan tiga dimensi spasial, tetapi juga untuk menembus ke ruang interaksi yang kuat, di mana partikel memiliki warna dan hanya dapat terjadi dalam kelompok. Alasan dan konsekuensi dari ini masih menjadi misteri saat ini. “Komputer kuantum memberi kita jendela baru ke dunia partikel elementer,” kata Martin Ringbauer. “Dengan pendekatan Qudit, sistem ini dibuat khusus untuk menyelidiki pertanyaan terbuka yang menarik dalam fisika partikel.”
Penelitian ini didukung secara finansial oleh Dana Sains Austria FWF, Kementerian Pendidikan, Sains dan Penelitian Federal, Badan Promosi Penelitian Austria FFG dan Uni Eropa, antara lain.
Video penjelasan untuk pekerjaan ini: https://youtu.be/k5xxp06esxe
Publikasi: Simulasi teori pengukur kisi dua dimensi pada komputer kuantum Qudit. Michael Meth, Jan F. Haase, Jinglei Zhang, Claire Edmunds, Lukas Postler, Alex Steiner, Andrew J. Jena, Luca Dellantonio, Rainer Blatt, Peter Zoller, Thomas Monz, Philipp Schindler, Christine Muschik, dan Martin Ringbauer. Fisika Alam 2025. Doi: 10.1038/s41567-025-02797-w [arXiv: 2310.12110 ]
