میانبر محاسبات کوانتومی، شبیه سازی برخورد ذرات را آسان تر می کند

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

برخورد بین ذرات در انرژی‌های بالا گاهی اوقات می‌تواند ذرات جدیدی تولید کند و بر هم‌کنش‌های بین اجزای اصلی ماده را روشن کند. شبیه‌سازی این برخوردها و فرآیندهای زیربنایی آن‌ها می‌تواند بینش‌های ارزشمندی درباره نحوه رفتار ماده در مقیاس‌های بسیار کوچک به دست دهد.

رایانه‌های کوانتومی، دستگاه‌هایی که اطلاعات را با استفاده از قوانین مکانیک کوانتومی پردازش می‌کنند، می‌توانند نویدبخش پلتفرم‌های جدیدی برای شبیه‌سازی برخورد ذرات باشند. با این حال، استفاده مطمئن از این دستگاه‌ها برای شبیه‌سازی فرآیندهای پس از یک برخورد، تاکنون چالش برانگیز بوده است.

محققان مؤسسه فناوری کالیفرنیا و دانشگاه واشنگتن اخیرا روش جدیدی ابداع کرده‌اند که به رایانه‌های کوانتومی اجازه می‌دهد بسته‌های موج اولیه (اختلال‌های موضعی مرتبط با ذرات متحرک) را برای شبیه‌سازی برخورد ذرات به طور مؤثرتری آماده کنند.

رویکرد آنها، که در مقاله منتشر شده در Nature Physics معرفی شد، برای آماده‌سازی بسته‌های موج و شبیه‌سازی برخورد ذرات روی یک پردازنده کوانتومی حاوی 104 کیوبیت (واحدهای پایه اطلاعات کوانتومی) استفاده شد.

رولاند سی. فارل، نویسنده اول مقاله، به Phys.org گفت: "در آینده، ما دوست داریم بتوانیم مدت کوتاهی پس از له شدن ذرات در برخورد دهنده های ذرات مانند LHC، پیش بینی کنیم که چه اتفاقی می افتد."

"انواع ذراتی که از این برخوردها پدید می آیند و دینامیک آنها بینش هایی را در مورد قوانین طبیعت ارائه می دهد. شبیه سازی این برخوردها به طور گسترده ای با استفاده از یک کامپیوتر کلاسیک غیرقابل حل است، اما اعتقاد بر این است که در یک کامپیوتر کوانتومی کارآمد است."

یکی از اهداف اصلی مطالعه این تیم استفاده موفقیت آمیز از یک کامپیوتر کوانتومی برای شبیه سازی برخورد ذرات و مشاهده تبدیل انرژی برخی ذرات در حال برخورد به جرم ذرات تازه تولید شده در زمان واقعی بود. این تبدیل تجلی مستقیم معادله انیشتین E = mc² است که رابطه بین انرژی (E) و جرم (m) را توصیف می کند، که در آن c سرعت نور است. این معادله نشان می دهد که وقتی انرژی کافی در دسترس باشد، انرژی می تواند جرم شود.

فارل گفت: «اولین گام در چنین شبیه‌سازی کوانتومی، آماده‌سازی حالت اولیه است: دو ذره پرانرژی (بسته‌های موج) که به سمت یکدیگر حرکت می‌کنند. "رویکردهای موجود این امر را بر روی سخت افزار فعلی غیرممکن کرد، بنابراین ما نیاز به توسعه یک الگوریتم کوانتومی کارآمدتر داشتیم."

شبیه‌سازی‌های اجرا شده توسط فارل و همکارانش در مدل ساده‌شده‌ای از برهمکنش‌های ذرات به نام نظریه میدان آیزینگ یک‌بعدی ریشه داشتند. این تیم الگوریتم جدیدی را توسعه دادند که می تواند برای آماده سازی ذرات متحرک یا بسته های موج برای شبیه سازی آنها استفاده شود.

نیکیتا آ. زملوسکی، یکی از نویسندگان مقاله، گفت: «پس از آماده شدن حالت اولیه دو ذره، سیستم با استفاده از دروازه‌های کوانتومی که تکامل همیلتونی را تقریبی می‌کنند، در زمان تکامل می‌یابد. "با گذشت زمان، ذرات به سمت یکدیگر حرکت می کنند، برهم کنش می کنند و حالت پس از برخورد را تشکیل می دهند. تولید ذرات با اندازه گیری ویژگی های حالت پس از برخورد، مانند چگالی انرژی آن، شناسایی می شود."

محققان با استفاده از رویکرد خود، برخورد بین دو بسته موج با ذرات نور را در یک کامپیوتر کوانتومی توسعه یافته توسط IBM شبیه سازی کردند. در انرژی‌های پایین، این برخورد ذره جدیدی تولید نکرد و دو ذره نور پس از برخورد از هم دور شدند. با این حال، در انرژی‌های بالاتر، برخورد می‌تواند یکی از ذرات سبک را به یک ذره سنگین تبدیل کند و مقداری از انرژی حاصل از برخورد، جرم اضافی را تامین می‌کند.

Zemlevskiy می‌گوید: «در انرژی‌های پایین، چگالی انرژی خروجی دو برآمدگی دارد، یکی برای هر ذره. "در انرژی های بالاتر، این فرآیند می تواند یکی از ذرات سبک را به یک ذره سنگین تبدیل کند، که برجستگی های بیشتری در چگالی انرژی ایجاد می کند. ما این برآمدگی ها را با اندازه گیری چولگی چگالی انرژی در کامپیوتر کوانتومی IBM شناسایی کردیم. مشاهده کردیم که چولگی پس از یک برخورد پر انرژی افزایش یافته است، و شواهدی را ارائه می دهد که یک ذره سنگین ایجاد می کند."

در حالی که این تیم برخورد بین دو ذره نور را شبیه‌سازی کردند، روش کارآمد آنها برای تهیه بسته‌های موج می‌تواند برای شبیه‌سازی طیف وسیع‌تری از سیستم‌های چند جسمی کوانتومی استفاده شود. اینها سیستم هایی هستند که از اجزای کوانتومی متقابل متعددی تشکیل شده اند.

فارل می‌گوید: بسته‌های موج دارای درهم تنیدگی دوربردی هستند که قبلا برای ساختن آن به لایه‌های زیادی از دروازه‌های کوانتومی نیاز بود. ما میانبری پیدا کردیم که از اندازه‌گیری‌های مدار میانی و پیش‌خور کلاسیک برای ایجاد این درهم‌تنیدگی دوربرد با تعداد ثابتی از لایه‌های مدار استفاده می‌کند.

الگوریتم تازه توسعه‌یافته این تیم می‌تواند به طور موثر بسته‌های موج بزرگی ایجاد کند که می‌توانند انرژی برخورد مشخصی را با دقت بالا هدف قرار دهند. علاوه بر این، می‌تواند منابع کوانتومی مورد نیاز برای شبیه‌سازی پراکندگی ذرات را به‌ویژه در دو و سه بعدی کاهش دهد.

Zemlevskiy توضیح داد: «این شبیه‌سازی‌های با ابعاد بالاتر اغلب با روش‌های کلاسیک فعلی غیرقابل حل هستند و می‌توانند به یک مزیت کوانتومی مفید علمی منجر شوند».

استخراج شواهد برای تولید ذرات از یک شبیه‌سازی روی سخت‌افزار کوانتومی پر سر و صدا نشان‌دهنده پیشرفت قابل‌توجهی در شبیه‌سازی‌های کوانتومی فیزیک بنیادی بود. برای راه‌اندازی بسته‌های موج به اندازه کافی بزرگ که می‌توانستند به وضوح انرژی هدف برسند، به بیش از 100 کیوبیت نیاز داشت.

برای مشاهده آنچه پس از برخورد دو ذره اتفاق می افتد و شناسایی نشانه های ذره سنگین تازه تولید شده، محققان مجبور شدند مدارهایی را با لایه های متعدد دروازه های کوانتومی (یعنی عملیات) اجرا کنند. وفاداری بالای دروازه کوانتومی که توسط کامپیوتر کوانتومی آی‌بی‌ام و تکنیک‌های کاهش خطا نشان داده شد، به آن‌ها این امکان را داد تا سیگنال قوی را از مدارهایی با بیش از 5000 گیت درهم‌تنیده با نویز استخراج کنند.

فارل گفت: "هدف نهایی این خط تحقیقاتی تولید "فیلم" دقیق از برخوردهای پرانرژی بین ذرات واقعی است. این شبیه‌سازی‌ها می‌توانند با محاسبه چگونگی وقوع یک برخورد، نه فقط ذرات خارج شده، راه‌های جدیدی را برای آزمایش نظریه‌های فیزیک بنیادی به ما ارائه دهند.

تاکنون محققان از رویکرد خود برای شبیه سازی برخورد ذرات در یک بعد استفاده کرده اند. اما در مطالعات بعدی خود قصد دارند به دو بعد و در نهایت سه بعد پیشرفت کنند.

فارل افزود: «در عین حال، محتوای ذرات و تعاملات واقعی‌تر خواهد شد تا زمانی که بتوانیم مدل استاندارد فیزیک ذرات (و فراتر از آن) را تقلید کنیم. رسیدن به این اوج شبیه‌سازی کوانتومی به یک کامپیوتر کوانتومی تصحیح شده با خطا نیاز دارد و تحقیقات آینده بر کاهش تحمل خطا در شبیه‌سازی‌های سرتاسر برخورد ذرات متمرکز خواهد بود.

توسط نویسنده ما Ingrid Fadelli، ویرایش شده توسط Sadie Harley، و بررسی واقعیت و بازبینی توسط رابرت ایگان برای شما نوشته شده است - این مقاله نتیجه کار دقیق انسانی است. ما برای زنده نگه داشتن روزنامه نگاری علمی مستقل به خوانندگانی مانند شما متکی هستیم. اگر این گزارش برای شما مهم است، لطفا یک کمک مالی (به ویژه ماهانه) در نظر بگیرید. به عنوان تشکر، یک حساب کاربری بدون آگهی دریافت خواهید کرد.

Roland C. Farrell و همکاران، شبیه‌سازی کوانتومی دیجیتال پراکندگی در نظریه‌های میدان کوانتومی با استفاده از حالت‌های W، فیزیک طبیعت (2026). DOI: 10.1038/s41567-026-03436-8. در arXiv : arxiv.org/abs/2505.03111

روزنامه نگار آزاد با لیسانس روانشناسی و کارشناسی ارشد روزنامه نگاری بین المللی. از سال 2018 هوش مصنوعی، رباتیک، علوم اعصاب و اخترفیزیک را پوشش می دهد. نمایه کامل →

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →