Ein Quantencomputer simuliert die Entstehung von Teilchen im Universum 🌟
Für diese Simulation verwendeten die Forscher eine Theorie namens Quantenfeldtheorie in gekrümmter Raumzeit (QFTCS). Im Grunde ermöglicht diese Theorie, das Verhalten von Teilchen in einem Universum zu untersuchen, in dem Raum und Zeit "verzerrt" sind, wie in der Nähe eines Schwarzen Lochs oder in einem expandierenden Universum. Sie hat bereits beeindruckende Phänomene vorhergesagt, wie die Hawking-Strahlung (eine von Schwarzen Löchern emittierte Strahlung) oder die Entstehung von Teilchen in einem expandierenden Universum.
Bisher verwendeten Wissenschaftler Laborexperimente, um diese Vorhersagen zu überprüfen. Aber diesmal nutzten sie Quantencomputer, um numerische Simulationen durchzuführen, eine neue Methode in diesem Bereich.
Marco Díaz Maceda, der Hauptautor der Studie, erklärt, dass Quantencomputer ein mächtiges Werkzeug sind, um grundlegende Fragen über das Universum zu erforschen. Allerdings sind diese Computer noch in der Entwicklung und machen Fehler aufgrund von "Rauschen" in den Berechnungen. Um dieses Problem zu umgehen, verwendeten die Forscher Techniken, um diese Fehler zu reduzieren, ohne zu viele Ressourcen zu benötigen.
Sie wählten ein Modell eines expandierenden Universums, genannt FLRW, und erstellten einen Quantenschaltkreis auf einem IBM-Prozessor namens Eagle, um die Entstehung von Teilchen zu simulieren. Trotz der Fehler zeigten die Ergebnisse, dass die Teilchen wie von der Theorie vorhergesagt entstanden. Dank der Fehlerreduktionstechniken konnten die Forscher präzisere Ergebnisse erzielen.
Diese Studie ist ein großer Fortschritt in der Verwendung von Quantencomputern zur Erforschung unseres Universums. Sie öffnet die Tür zu neuen Forschungen über Themen wie gravitationelle Verschränkung (ein Quantenphänomen im Zusammenhang mit der Schwerkraft) oder die Struktur des Universums.
Die Quantenfeldtheorie in gekrümmter Raumzeit (QFTCS)
Die QFTCS ist eine Theorie, die zwei große Ideen der Physik kombiniert: die allgemeine Relativitätstheorie (die erklärt, wie die Schwerkraft Raum und Zeit verzerrt) und die Quantenmechanik (die das Verhalten von Teilchen auf sehr kleiner Skala beschreibt). Sie ermöglicht es, das Verhalten von Teilchen in Universen zu untersuchen, in denen Raum und Zeit verzerrt sind, wie in der Nähe eines Schwarzen Lochs oder in einem expandierenden Universum.
Diese Theorie ist sehr nützlich, weil sie es ermöglicht, komplexe Phänomene zu erforschen, ohne eine vollständige Theorie der Quantengravitation zu benötigen, die noch entdeckt werden muss.
Wie können Fehler in Quantenberechnungen reduziert werden?
Quantencomputer sind leistungsstark, machen aber noch Fehler aufgrund von "Rauschen" in den Berechnungen. Um die Ergebnisse zu verbessern, verwenden Forscher Techniken zur Fehlerminderung. Die Idee ist, zu verstehen, wie die Fehler mit dem Rauschen zunehmen, und dann zu erraten, wie die Ergebnisse ohne dieses Rauschen aussehen würden.
Im Gegensatz zur Fehlerkorrektur, die viele Ressourcen benötigt, ist die Fehlerminderung besser für die aktuellen Quantencomputer geeignet. In dieser Studie verwendeten die Forscher eine Technik namens Zero-Noise Extrapolation (ZNE), die es ermöglichte, präzisere Ergebnisse zu erzielen.