Studi tentang partikel dan kekuatan elementer sangat penting bagi pemahaman kita tentang alam semesta. Sekarang tim fisikawan dari University of Innsbruck dan Institute for Quantum Computing (IQC) di University of Waterloo menunjukkan bagaimana jenis komputer kuantum yang tidak konvensional membuka pintu baru bagi dunia partikel dasar.
Model standar fisika partikel adalah teori terbaik kita tentang partikel dan kekuatan elementer yang membentuk dunia kita: partikel dan antipartikel, seperti elektron dan positron, digambarkan sebagai bidang kuantum. Mereka berinteraksi melalui medan gaya lain, seperti gaya elektromagnetik yang mengikat partikel bermuatan.
Untuk memahami perilaku bidang kuantum ini dan dengan itu alam semesta kita, para peneliti melakukan simulasi komputer yang kompleks dari teori -teori lapangan kuantum. Sayangnya, banyak dari perhitungan ini terlalu rumit bahkan untuk superkomputer terbaik kami dan menimbulkan tantangan besar untuk komputer kuantum juga, membuat banyak pertanyaan mendesak tidak terjawab.
Menggunakan jenis komputer kuantum baru, tim eksperimental Martin Ringbauer di University of Innsbruck, dan kelompok teori yang dipimpin oleh Christine Muschik di IQC di Laporan University of Waterloo, Kanada dalam sebuah publikasi di jurnal tersebut Fisika Alam Bagaimana mereka berhasil mensimulasikan teori medan kuantum lengkap dalam lebih dari satu dimensi spasial.
Representasi alami bidang kuantum
Inti yang membuat simulasi teori -teori medan kuantum menantang untuk komputer kuantum berasal dari kebutuhan untuk menangkap bidang yang mewakili gaya antara partikel, seperti gaya elektromagnetik antara partikel bermuatan. Bidang -bidang ini dapat menunjuk ke arah yang berbeda dan memiliki tingkat kekuatan atau rangsangan yang berbeda. Objek -objek seperti itu tidak cocok dengan paradigma komputasi biner tradisional berdasarkan nol dan yang merupakan dasar dari komputer klasik dan kuantum saat ini.
Kemajuan baru dimungkinkan melalui kombinasi komputer kuantum Qudit yang dikembangkan di Innsbruck, dan algoritma Qudit untuk mensimulasikan interaksi partikel mendasar yang dikembangkan di Waterloo. Pendekatan ini didasarkan pada penggunaan hingga lima nilai per pembawa informasi kuantum, bukan hanya nol dan satu, untuk secara efisien menyimpan dan memproses informasi. Komputer kuantum seperti itu sangat cocok untuk tantangan mewakili bidang kuantum yang kompleks dalam perhitungan fisika partikel. “Pendekatan kami memungkinkan representasi alami dari bidang kuantum, yang membuat perhitungan jauh lebih efisien,” jelas Michael Meth, penulis utama penelitian. Ini memungkinkan tim untuk mengamati fitur dasar elektrodinamika kuantum dalam dua dimensi spasial.
Potensi besar untuk fisika partikel
Sudah pada tahun 2016, penciptaan pasangan partikel-antipartikel ditunjukkan di Innsbruck. “Dalam demonstrasi itu, kami menyederhanakan masalah dengan membatasi partikel untuk bergerak di jalur. Menghapus pembatasan ini adalah langkah penting untuk menggunakan komputer kuantum untuk memahami interaksi partikel mendasar,” kata Christine Muschik. Sekarang tim telah menyajikan simulasi kuantum pertama dalam dua dimensi spasial, “selain perilaku partikel, kita sekarang juga melihat medan magnet di antara mereka, yang hanya bisa ada jika partikel tidak terbatas untuk bergerak pada garis dan membawa kita langkah penting lebih dekat untuk mempelajari alam,” jelas Martin Ringbauer.
Pekerjaan baru tentang elektrodinamika kuantum hanyalah permulaan. Dengan hanya beberapa Qudit, lebih mungkin untuk memperluas hasil saat ini tidak hanya untuk model tiga dimensi, tetapi juga untuk kekuatan nuklir yang kuat, yang menyatukan atom dan mengandung banyak misteri fisika yang tersisa. “Kami sangat senang dengan potensi komputer kuantum untuk berkontribusi pada studi tentang pertanyaan -pertanyaan menarik ini,” kata Ringbauer dengan antusias.
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]
