Czy komputer Quantum może symulować początek Wszechświata?

Mechanika kwantowa sugeruje, że z pozoru pusta przestrzeń Wszechświata w rzeczywistości wypełniona jest pewnymi cząstkami, które są zmienne w swej formie. Niedawno jednak naukowcy skonstruowali zaawansowaną maszynę znaną jako komputer kwantowy, zdolną symulować

te tak zwane cząstki wirtualne. Zdaniem naukowców, badania te mogą rzucić światło na aktualnie ukryte aspekty wszechświata, począwszy od serca gwiazd neutronowych, aż do pierwszych chwil wszechświata po Wielkim Wybuchu. Mechanika kwantowa sugeruje, że wszechświat jest na swym najniższym poziomie rozmytym i surrealistycznym miejscem. Na przykład, atomy i inne cząstki mogą występować w stanach znanych jako superpozycje, gdzie pozornie mogą obracać się w przeciwnych kierunkach jednocześnie i mogą oddziaływać na siebie bez względu na to jak są od siebie oddalone. Mechanika kwantowa sugeruje również, że pary cząstek wirtualnych, z których każda składa się z cząstki i jej antymaterialnego odpowiednika – antycząstki, mogą pojawiać się w pozornie pustej próżni i wpływać na otoczenie.

Mechanika kwantowa leży u podstaw standardowego modelu fizyki cząstek elementarnych, który jest obecnie najlepszym wytłumaczeniem, zachowania wszystkich znanych cząstek elementarnych , takich jak elektrony i protony. Jednak nadal istnieje wiele otwartych pytań dotyczących modelu standardowego, jak np. czy może ona wyjaśnić tajemnice kosmiczne takie jak ciemna materia i ciemna energia – oba zjawiska nie zostały bezpośrednio wykryte przez astronomów, a są jednak podstawą wnioskowania w wyniku ich efektów grawitacyjnych. Interakcje pomiędzy cząstkami elementarnymi są często określane, jako teorie wzorcowe. Jednak dynamika czasu rzeczywistego w teorii cząstek wzorcowych cechowana jest niezwykle trudnymi dla tradycyjnych komputerów obliczeniami – z wyjątkiem najprostszych przypadków. W wyniku tego naukowcy zwrócili się do urządzeń – jeszcze doświadczalnych – znanych jako komputery kwantowe. “Nasza praca jest pierwszym krokiem w kierunku opracowania specjalnie do tego przeznaczonych narzędzi, które mogą pomóc nam lepiej zrozumieć zasadnicze interakcje pomiędzy podstawowymi częściami składowymi natury, stwierdziła współautor studium Christine Muschik, fizyk teoretyczny z Instytutu Optyki Kwantowej i Informacji Kwantowej Austriackiej Akademii Nauk w Innsbruck, Austria. Podczas gdy komputery klasyczne reprezentują dane jako cyfry binarne – zera i jedynki zwane “bitami”, podobnie do tranzystorów przełączających „włącz” lub „wyłącz” – to komputery kwantowe używają bitów kwantowych tzw. „qubitów”, które znajdują się w superpozycji – co oznacza, że są one w tym samym czasie włączone i wyłączone. Umożliwia to qubitom prowadzenie dwu operacji jednocześnie. W zasadzie, to komputery kwantowe mogłyby działać znacznie szybciej niż zwykłe komputery w rozwiązywaniu niektórych problemów, ponieważ mogą analizować wszystkie możliwe rozwiązania na raz. W nowym badaniu naukowcy zbudowali komputer kwantowy za pomocą czterech elektromagnetycznie uwięzionych jonów wapnia. Qubity te są kontrolowane i manipulowane impulsami laserowymi. Naukowcy chcieli by komputer kwantowy symulował pojawianie się i znikanie wirtualnych cząstek w próżni, z parami qubitów reprezentujących pary cząstek wirtualnych – w szczególności elektronów i pozytonów (odpowiedniki elektronów w fizyce antymaterii). Impulsy laserowe pomogły w symulacji sposobu w jaki silne pola elektromagnetyczne w próżni mogą generować wirtualne cząstki. “Jest to jeden z najbardziej złożonych eksperymentów, który nigdy jeszcze nie został przeprowadzony w pułapce jonowego komputera kwantowego”, stwierdził współautor badania Rainer Blatt, fizyk eksperymentalny w Instytucie Optyki Kwantowej i Informacji Kwantowej Austriackiej Akademii Nauk w Innsbruck, Austria. Doświadczenie udowadnia, że komputery kwantowe mogą symulować fizykę wysokich energii – pokazując sposób, w jaki cząstki mogą zachowywać się na poziomach energetycznych, które są zbyt wysokie, by mogły być łatwo generowane na Ziemi. “Dziedzina eksperymentalnej kwantowej informatyki rozwija się bardzo szybko, a wiele osób zadaje sobie pytanie, do czego przydatne są małe komputery kwantowe?” Współautor projektu Esteban Martinez, fizyk eksperymentalny na Uniwersytecie w Innsbrucku w Austrii, powiedział “W przeciwieństwie do innych zastosowań, nie trzeba milionów bitów kwantowych by przeprowadzić taką symulację, lecz parę ich dziesiątek może być wystarczających by rozwiązać problemy, których nie możemy rozwiązać przy użyciu klasycznych metod”.

Problem, który naukowcy analizowali przy użyciu symulatora kwantowego był dość prosty dla do obliczenia również dla klasycznych komputerów, lecz wykazał, że wyniki symulatora Quantum odpowiadają z wyjątkową precyzją przewidywaniom. Sugeruje to, że symulatory kwantowe mogą być wykorzystane do bardziej złożonych problemów czy teorii w przyszłości, a maszyny obserwować mogą nawet nowe zjawiska. “Potwierdzeniem zasady jest eksperyment, który stanowi pierwszy krok w kierunku długoterminowego celu opracowania przyszłych generacji symulatorów kwantowych, które będą w stanie odpowiadać na pytania, na które nie można odpowiedzieć w inny sposób” powiedział Muschik. W zasadzie proste symulatory kwantowe mogłyby pomóc modelować rodzaj fizyki wyjątkowo wysokich energii aktualnie badanych przy użyciu akceleratorów takich jak Wielki Zderzacz Hadronów w CERN. “Te dwa podejścia doskonale uzupełniają się nawzajem”, twierdzi współautor badania Peter Zoller, fizyk teoretyczny z Instytutu Optyki Kwantowej i Informacji Kwantowej Austriackiej Akademii Nauk w Innsbrucku. “Nie możemy zastąpić doświadczeń, które są wykonywane w zderzaczu cząstek. Jednak poprzez rozwój symulatorów kwantowych, być może będziemy w stanie kiedyś lepiej zrozumieć te eksperymenty” “Co więcej, możemy uczyć się nowych procesów za pomocą symulacji kwantowej – na przykład, w naszym doświadczeniu, możemy również badać splątanie cząstek podczas tworzenia par, co nie jest możliwe w akceleratorze” oświadczył Blatt. Ostatecznie, symulatory kwantowe mogą pomóc naukowcom w symulacji dynamiki znanych martwych gwiazd jak gwiazdy neutronowe lub próbie odpowiedzi na “pytania dotyczące interakcji przy bardzo wysokich energiach i wysokich gęstościach opisujących fizykę wczesnego Wszechświata” powiedział Muschik.

Szczegółowe ustalenia opublikowane zostały 23 czerwca w czasopiśmie „Nature”.

Wg. Charles Q. Choi
Live Science