Los científicos estudian la materia en condiciones extremas para descubrir algunos de los comportamientos más fundamentales de la naturaleza. El modelo estándar de física de partículas contiene las ecuaciones necesarias para describir estos fenómenos, pero en muchas situaciones del mundo real, como entornos que cambian rápidamente o materia muy densa, estas ecuaciones se vuelven demasiado complejas para que las manejen incluso las supercomputadoras clásicas más avanzadas.
La computación cuántica ofrece una alternativa prometedora porque, en principio, puede representar y simular estos sistemas de manera más eficiente. Sin embargo, un desafío importante es encontrar métodos confiables para establecer los estados cuánticos iniciales que requiere una simulación. En este trabajo, los investigadores lograron una primicia: crearon circuitos cuánticos escalables capaces de preparar las condiciones iniciales para las colisiones de partículas producidas en los aceleradores de partículas. Sus pruebas se centraron en las fuertes interacciones descritas por el Modelo Estándar.
El equipo comenzó determinando los circuitos necesarios para el pequeño sistema utilizando ordenadores clásicos. Una vez que conocieron esos diseños, aplicaron la estructura escalable del circuito para crear simulaciones mucho más grandes directamente en una computadora cuántica. Utilizando el hardware cuántico de IBM, simularon con éxito características clave de la física nuclear en más de 100 qubits.
Métodos cuánticos escalables para física de alta densidad
Estos algoritmos cuánticos escalables abren la puerta a simulaciones que antes estaban fuera de nuestro alcance. El método se puede utilizar para modelar el estado de vacío antes de que colisione una partícula, sistemas físicos con densidades extremadamente altas y haces de hadrones. Los investigadores predicen que las futuras simulaciones cuánticas construidas sobre estos circuitos superarán lo que la computación clásica puede lograr.
Estas simulaciones pueden arrojar luz sobre importantes cuestiones abiertas en física, incluido el desequilibrio de la materia y la antimateria, la creación de elementos pesados dentro de las supernovas y el comportamiento de la materia en densidades ultraaltas. Las mismas técnicas pueden ayudar a modelar otros sistemas sólidos con materiales exóticos con propiedades cuánticas inusuales.
Los físicos nucleares han realizado la simulación cuántica digital más grande jamás realizada utilizando la computadora cuántica de IBM. Su éxito se debió en parte a la identificación de patrones en sistemas físicos, incluidas diferencias en simetrías y escalas de longitud, lo que les permitió diseñar circuitos escalables que producían estados con correlaciones locales. Demostraron la eficacia de este algoritmo preparando el estado de vacío y los hadrones dentro de una versión unidimensional de la electrodinámica cuántica.
Pasar de modelos pequeños a sistemas cuánticos a gran escala
En primer lugar, el equipo verificó los componentes de sus circuitos probándolos en sistemas pequeños con herramientas informáticas clásicas, asegurándose de que las condiciones resultantes pudieran mejorarse sistemáticamente. Luego ampliaron los circuitos para manejar más de 100 qubits y los ejecutaron en los dispositivos cuánticos de IBM. Utilizando datos de estas simulaciones, los científicos dedujeron las propiedades del vacío con una precisión de porcentaje.
También utilizaron circuitos para generar pulsos de hadrones y luego simularon cómo esos pulsos evolucionaron con el tiempo para rastrear su propagación. Estos avances apuntan a un futuro en el que los ordenadores cuánticos podrán ejecutar simulaciones totalmente dinámicas de la materia en condiciones extremas que están fuera del alcance de las máquinas clásicas.
Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DOE), la Oficina de Física Nuclear, Quantum Horizons: QIS Research and Innovation for Nuclear Science Initiative y el Quantum Science Center (QSC), una incubadora para simulación cuántica (IQS) a través del DOE y el Centro Nacional de Investigación de Ciencias Cuánticas de la Universidad de Washington. Recursos informáticos adicionales fueron proporcionados por Oak Ridge Leadership Computing Facility, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE y el Hike Supercomputer System de la Universidad de Washington. El equipo también reconoce el uso de IBM Quantum Services para este proyecto.
