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Quantencomputer erleichtert die Simulation von Teilchenkollisionen
Teilchencrash im Rechner: Mit 104 Qubits haben Physiker eine Kollision in einem vereinfachten Quantenmodell nachgestellt und eine Veränderung der Energieverteilung gemessen. Diese passt zu einem Vorgang, bei dem eines der leichten Modellteilchen durch ein schwereres ersetzt wird. Ein neuer Ansatz zur Vorbereitung der Teilchenzustände könnte solche Simulationen künftig deutlich vereinfachen.
Pasadena (U.S.A.). Wenn Elementarteilchen mit genügend Energie zusammenprallen, können bei der Kollision andere, schwerere Teilchen entstehen. Teilchenbeschleuniger machen solche Prozesse sichtbar, doch ihre zeitliche Entwicklung auf der Ebene der Quantenzustände ist schwer zu berechnen. Denn die beteiligten Teilchen können miteinander verschränkt sein, und die Zahl möglicher Zustände wächst rasch.
Quantencomputer könnten diese Schwierigkeit umgehen, weil sie selbst nach den Gesetzen der Quantenphysik rechnen. Doch bereits der Start ist problematisch: Für eine Simulation müssen zunächst lokalisierte, bewegte Teilchenzustände vorbereitet werden. Solche Wellenpakete enthalten Verschränkungen über viele Qubits hinweg, was lange und störanfällige Schaltfolgen erfordern kann.
Forscher des California Institute of Technology (Caltech) um Roland C. Farrell haben nun einen neuen Weg zur Vorbereitung solcher Wellenpakete entwickelt und an einer Teilchenkollision erprobt. Statt echte Protonen oder Elektronen nachzubilden, wählten sie die eindimensionale Ising-Feldtheorie, ein stark vereinfachtes mathematisches Modell mit leichten und schweren Anregungen. Damit ließ sich untersuchen, ob ein Quantenchip nicht nur die Annäherung, sondern auch den Zustand nach dem Zusammenstoß berechnen kann.
Die Ausgangslage bestand aus zwei aufeinander zufliegenden leichten Modellteilchen. Bei geringer Stoßenergie entfernen sich nach der Kollision wieder zwei leichte Teilchen voneinander, weil für eine schwerere Variante nicht genug Energie vorhanden ist. Oberhalb einer bestimmten Energieschwelle erlaubt das Modell dagegen einen unelastischen Prozess: Aus zwei leichten Teilchen kann ein leichtes und ein schweres hervorgehen.
Für diesen Versuch nutzte das Team den IBM-Quantenprozessor ibm_marrakesh mit 104 Qubits. Bis zum Zustand nach dem Zusammenstoß waren höchstens 5.589 Zweiqubit-Gatter nötig, also Rechenschritte, bei denen jeweils zwei Qubits miteinander wechselwirken. Wiederholte Messungen lieferten die räumliche Verteilung der Energie im simulierten Teilchensystem. Ergänzend verglichen die Wissenschaftler ihre Daten mit Simulationen auf herkömmlichen Rechnern.
Das Ergebnis: Nach der energiereicheren Kollision war die Energieverteilung asymmetrisch, und diese Schiefe nahm im Verlauf zu. Das passt zu einem schwereren Modellteilchen, das langsamer auseinanderläuft als sein leichterer Partner. Ein solches Teilchen ließ sich auf dem Quantenchip allerdings nicht als räumlich getrenntes Signal erfassen, bevor sich die Fehler der Schaltung zu stark anhäuften.
Die Gegenprobe mit nur einem durchlaufenden Wellenpaket zeigte ebenfalls gewisse Asymmetrien, die teilweise durch Randeffekte und technische Fehler entstehen können. Der zusätzliche Unterschied nach der Kollision blieb vergleichsweise klein. Die Messwerte liefern deshalb einen indirekten Hinweis auf den schwereren Teilchenzustand im Modell, keinen eindeutigen direkten Nachweis.
Ein wesentlicher Fortschritt betrifft die Vorbereitung der Wellenpakete. Ihr Ausgangspunkt sind sogenannte W-Zustände, in denen eine Anregung über zahlreiche Qubits verteilt ist und deren Quantenzustände dadurch verschränkt sind. Das Team entwickelte ein Verfahren, bei dem Messungen während der Rechnung und davon abhängige weitere Schritte diese Verschränkung mit einer konstanten Zahl von Schaltungsebenen aufbauen können.
Bisherige Verfahren benötigen dafür immer mehr Schaltungsebenen, je ausgedehnter ein solches Wellenpaket ist. Der neue theoretische Ansatz könnte diesen Aufwand vor allem für Simulationen in zwei oder drei Raumdimensi