Yeni tip kuantum bilgisayarı temel parçacıkların dansını inceliyor

Özet: Temel parçacıkların ve kuvvetlerin incelenmesi, evreni anlamamız açısından merkezi bir öneme sahiptir. Şimdi fizikçilerden oluşan bir ekip, alışılmadık bir kuantum bilgisayar türünün temel parçacıklar dünyasına nasıl yeni bir kapı açtığını gösteriyor.

Ayrıntılı Açıklama

Parçacık fiziğinin standart modeli, dünyamızı oluşturan temel parçacıklar ve kuvvetler hakkındaki en iyi teorimizdir: elektronlar ve pozitronlar gibi parçacıklar ve antiparçacıklar kuantum alanları olarak tanımlanır. Yüklü parçacıkları birbirine bağlayan elektromanyetik kuvvet gibi diğer kuvvet alanları aracılığıyla etkileşime girerler.

Bu kuantum alanlarının davranışını ve bununla birlikte evrenimizi anlamak için araştırmacılar kuantum alan teorilerinin karmaşık bilgisayar simülasyonlarını gerçekleştirirler. Ne yazık ki, bu hesaplamaların çoğu en iyi süper bilgisayarlarımız için bile çok karmaşıktır ve kuantum bilgisayarlar için de büyük zorluklar oluşturmakta ve birçok acil soruyu cevapsız bırakmaktadır.

Yeni bir kuantum bilgisayar türü kullanan Martin Ringbauer'in Innsbruck Üniversitesi'ndeki deneysel ekibi ve Kanada Waterloo Üniversitesi IQC'de Christine Muschik liderliğindeki teori grubu, Nature Physics dergisindeki bir yayında, birden fazla uzamsal boyutta eksiksiz bir kuantum alan teorisini nasıl başarıyla simüle ettiklerini bildirdi.

Kuantum alanlarının doğal bir temsili

Kuantum alan teorilerinin simülasyonlarını kuantum bilgisayarlar için zorlu kılan en önemli nokta, yüklü parçacıklar arasındaki elektromanyetik kuvvet gibi parçacıklar arasındaki kuvvetleri temsil eden alanları yakalama ihtiyacından kaynaklanmaktadır. Bu alanlar farklı yönlere işaret edebilir ve farklı güç derecelerine veya uyarımlara sahip olabilir. Bu tür nesneler, günümüzün klasik ve kuantum bilgisayarlarının temelini oluşturan sıfır ve birlere dayalı geleneksel ikili hesaplama paradigmasına tam olarak uymuyor.

Yeni gelişme, Innsbruck'ta geliştirilen bir qudit

kuantum bilgisayarı ile Waterloo'da geliştirilen temel parçacık etkileşimlerini simüle eden bir qudit algoritmasının birleşimiyle mümkün oldu. Bu yaklaşım, bilgiyi verimli bir şekilde depolamak ve işlemek için sadece sıfır ve bir yerine kuantum bilgi taşıyıcısı başına beş adede kadar değer kullanmaya dayanmaktadır. Böyle bir kuantum bilgisayarı, parçacık fiziği hesaplamalarında karmaşık kuantum alanlarını temsil etme zorluğu için idealdir. Çalışmanın başyazarı Michael Meth, "Bizim yaklaşımımız kuantum alanlarının doğal bir şekilde temsil edilmesini sağlıyor ve bu da hesaplamaları çok daha verimli hale getiriyor" diyor. Bu sayede ekip kuantum elektrodinamiğinin temel özelliklerini iki uzamsal boyutta gözlemleyebildi.

Parçacık fiziği için büyük potansiyel

Halihazırda 2016 yılında Innsbruck'ta parçacık-antiparçacık çiftlerinin oluşturulması gösterilmişti. "O gösteride, parçacıkları bir çizgi üzerinde hareket edecek şekilde kısıtlayarak sorunu basitleştirdik. Bu kısıtlamayı kaldırmak, temel parçacık etkileşimlerini anlamak için kuantum bilgisayarları kullanmada kritik bir adımdır" diyor Christine Muschik. Şimdi ekipler iki uzamsal boyutta ilk kuantum simülasyonunu sundular: "Parçacıkların davranışlarına ek olarak, artık aralarında manyetik alanlar da görüyoruz; bu alanlar ancak parçacıklar bir çizgi üzerinde hareket etmekle sınırlandırılmadığında var olabilir ve bizi doğayı incelemeye önemli bir adım daha yaklaştırır."

Kuantum elektrodinamiği üzerine yapılan yeni çalışma sadece bir başlangıç. Sadece birkaç kuantitlik bir çalışmayla mevcut sonuçları sadece üç boyutlu modellere değil, aynı zamanda atomları bir arada tutan ve fiziğin kalan gizemlerinin çoğunu içeren güçlü nükleer kuvvete de genişletmek mümkün olacak. Ringbauer heyecanla, "Kuantum bilgisayarların bu büyüleyici soruların incelenmesine katkıda bulunma potansiyeli bizi heyecanlandırıyor" diyor.

Araştırma, diğerlerinin yanı sıra Avusturya Bilim Fonu (FWF), Avusturya Federal Eğitim, Bilim ve Araştırma Bakanlığı, Avusturya Araştırma Teşvik Ajansı (FFG), Avrupa Birliği ve Kanada Birinci Araştırma Mükemmeliyet Fonu tarafından finansal olarak desteklenmiştir.

Kaynak: Innsbruck Üniversitesi