A team of researchers led by an Institute for Quantum Computing (IQC) faculty member performed the first-ever simulation of baryons—fundamental quantum particles—on a quantum computer.
With their results, the team has taken a step towards more complex quantum simulations that will allow scientists to study neutron stars, learn more about the earliest moments of the universe, and realize the revolutionary potential of quantum computers.
“This is an important step forward – it is the first simulation of baryons on a quantum computer ever,” IQC faculty member Christine Muschik said. "Instead of smashing particles in an accelerator, a quantum computer may one day allow us to simulate these interactions that we use to study the origins of the universe and so much more.”
Muschik, also a physics and astronomy professor at the University of Waterloo and associate faculty member at Perimeter Institute, leads the Quantum Interactions Group, which studies the quantum simulation of lattice gauge theories. These theories are descriptions of the physics of reality, including the Standard Model of particle physics. The more inclusive a gauge theory is of fields, forces, particles, spatial dimensions and other parameters, the more complex it is—and the more difficult it is for a classical supercomputer to model.
Non-Abelian gauge theories are particularly interesting candidates for simulations because they are responsible for the stability of matter as we know it. Classical computers can simulate the non-Abelian matter described in these theories, but there are important situations—such as matter with high densities—that are inaccessible for regular computers. And while the ability to describe and simulate non-Abelian matter is fundamental for being able to describe our universe, none has ever been simulated on a quantum computer.
Working with Randy Lewis from York University, Muschik’s team at IQC developed a resource-efficient quantum algorithm that allowed them to simulate a system within a simple non-Abelian gauge theory on IBM’s cloud quantum computer paired with a classical computer.
With this landmark step, the researchers are blazing a trail towards the quantum simulation of gauge theories far beyond the capabilities and resources of even the most powerful supercomputers in the world.
“What’s exciting about these results for us is that the theory can be made so much more complicated,” Jinglei Zhang, a postdoctoral fellow at IQC and the University of Waterloo Department of Physics and Astronomy said. “We can consider simulating matter at higher densities, which is beyond the capability of classical computers.”
As scientists develop more powerful quantum computers and quantum algorithms, they will be able to simulate the physics of these more complex non-Abelian gauge theories and study fascinating phenomena beyond the reach of our best supercomputers.
This breakthrough demonstration is an important step towards a new era of understanding the universe based on quantum simulation.
SU(2) hadrons on a quantum computer via a variational approach was published in Nature Communications on November 11, 2021. This research was funded in part by the Canadian Institute for Advanced Research as well as the Canada First Research Excellence Fund through Transformative Quantum Technologies.
Watch The first quantum simulation of baryons for a visual breakdown of the new results.
Des chercheurs réussissent la première simulation quantique de baryons
Une équipe de chercheurs dirigée par une professeure à l’Institut d’informatique quantique (IQC) vient d’effectuer la toute première simulation de baryons — particules quantiques fondamentales — dans un ordinateur quantique.
Cette réussite constitue une étape vers des simulations quantiques plus complexes qui permettront aux scientifiques d’étudier les étoiles à neutrons, d’en apprendre davantage sur le commencement de l’univers et de réaliser le potentiel révolutionnaire des ordinateurs quantiques.
La première simulation de baryons dans un ordinateur quantique
« Il s’agit d’un progrès important, la toute première simulation de baryons dans un ordinateur quantique », a déclaré Christine Muschik, professeure à l’IQC. « Au lieu de provoquer des collisions de particules dans un accélérateur, nous pourrons peut-être simuler dans un ordinateur quantique ces interactions, afin d’étudier les origines de l’univers et bien d’autres phénomènes. » [traduction]
Mme Muschik — également professeure de physique et d’astronomnie à l’Université de Waterloo, de même que professeure associée à l’Institut Périmètre — dirige le groupe d'étude des interactions quantiques, qui travaille sur la simulation quantique de théories de jauge en treillis. Ces théories visent à décrire la physique de la réalité, y compris le modèle standard de la physique des particules. Plus une théorie de jauge englobe de champs, de forces, de particules, de dimensions spatiales et d’autres paramètres, plus elle est complexe — et plus il est difficile de la modéliser à l’aide d’un superordinateur classique.
Les théories de jauge non abéliennes sont des candidates particulièrement intéressantes à des simulations, parce qu’elles sont responsables de la stabilité de la matière telle que nous la connaissons. Les ordinateurs classiques peuvent simuler la matière non abélienne décrite dans ces théories, mais il y a des situations importantes — comme celles où la matière est très dense — qui sont inaccessibles à ces ordinateurs. Et alors que la capacité de décrire et de simuler la matière non abélienne est fondamentale pour décrire notre univers, une telle simulation n’a jamais été réalisée dans un ordinateur quantique.
Travaillant avec Randy Lewis, de l’Université York, l’équipe de Mme Muschik a élaboré un algorithme quantique économe en ressources qui a permis de simuler un système dans une théorie de jauge non abélienne simple, en utilisant l’ordinateur quantique d’IBM accessible par infonuagique, couplé à un ordinateur classique.
Avec cette étape emblématique, les chercheurs ouvrent la voie vers la simulation quantique de théories de jauge qui vont bien au-delà des capacités et des ressources des superordinateurs même les plus puissants au monde.
« Ce qui est enthousiasmant pour nous dans ces résultats, c’est la possibilité d’aborder des théories beaucoup plus complexes », a déclaré Jinglei Zhang, postdoctorante à l’IQC ainsi qu’au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo. « Nous pouvons envisager de simuler de la matière plus dense, ce qui dépasse les capacités des ordinateurs classiques. » [traduction]
Avec la mise au point d’ordinateurs et algorithmes quantiques plus puissants, les scientifiques seront capables de simuler la physique de ces théories de jauge non abéliennes plus complexes et d’étudier des phénomènes fascinants hors de portée pour les meilleurs superordinateurs classiques.
Cette percée constitue une étape importante vers une nouvelle ère de compréhension de l’univers fondée sur la simulation quantique.
L’article intitulé SU(2) hadrons on a quantum computer via a variational approach (Hadrons SU(2) simulés dans un ordinateur quantique à l’aide d’une méthode variationnelle) a été publié le 11 novembre 2021 dans Nature Communications. Ces recherches ont été financées en partie par l’Institut canadien de recherches avancées, de même que par le Fonds d’excellence en recherche Apogée Canada (FERAC), par l’intermédiaire du groupe Technologies quantiques transformatrices.
Visionnez la vidéo The first simulation of baryons on a quantum computer (La première simulation de baryons dans un ordinateur quantique), qui donne une explication visuelle de ces nouveaux résultats.