Quantencomputer könnte Anfänge des Universums simulieren.

Quantenmechanik deuten darauf hin, dass scheinbar leerer Raum eigentlich mit geisterhaften Teilchen gefüllt ist, die ein-und Existenz schwankend sind. Und jetzt, Wissenschaftler haben zum ersten Mal gemacht, eine vorgerückte Maschine bekannt als ein Quantencomputer diese sogenannte virtuellen Teilchen zu simulieren.

Diese Forschung dazu beitragen könnten, derzeit verborgenen Aspekte des Universums, aus den Herzen von Neutronensternen, den ersten Augenblicken des Universums nach dem Urknall zu beleuchten, sagte Forscher.

Quantenmechanik legt nahe, dass das Universum eine fuzzy, surreale Ort auf der kleinsten Ebene ist. Beispielsweise können Atome und andere Partikel in Staaten des Flusses bekannt als Überlagerungen, wo sie können scheinbar jede Drehung in entgegengesetzte Richtungen gleichzeitig, und sie können auch verfangen existieren – was bedeutet, sie können beeinflussen sich gegenseitig sofort egal wie weit sie voneinander getrennt sind. Quantenmechanik schlägt auch vor, dass Paare von virtuellen Teilchen, jeweils bestehend aus einem Teilchen und ihre Antiteilchen, und aus scheinbar leeren Vakuum Wink und ihre Umgebung beeinflussen können. [Über Higgs: 5 schwer fassbaren Teilchen, die im Universum lauern können]

Quantenmechanik zugrunde liegt das Standardmodell der Teilchenphysik, die derzeit die beste Erklärung dafür, wie alle bekannten Elementarteilchen wie Elektronen und Protonen, Verhalten. Allerdings gibt es noch viele offene Fragen hinsichtlich des Standardmodells der Teilchenphysik, wie z.B. ob es helfen kann, erklären kosmischer Geheimnisse wie dunkle Materie und dunkle Energie, die von Astronomen nicht direkt erkannt, aber sind anhand ihrer Schwerkraft abgeleitet.

Die Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen werden oft beschrieben als Theorien messen mit dem, was bekannt ist. Die Echtzeit-Dynamik der Teilchen im Messgerät Theorien sind jedoch extrem schwierig für herkömmliche Computer berechnen, außer in den einfachsten Fällen. Infolgedessen haben Wissenschaftler stattdessen experimentelle Geräte als Quantencomputer bekannt geworden.

"Unsere Arbeit ist ein erster Schritt zur Entwicklung von dedizierten Tools, die uns helfen können, ein besseres Verständnis der fundamentalen Wechselwirkungen zwischen den elementaren Bestandteilen in der Natur", sagte Co-Lead Studienautor Christine Muschik Leben Wissenschaft. Muschik ist ein theoretischer Physiker am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der österreichischen Akademie der Wissenschaften in Innsbruck, Österreich.

Während klassische Computer Daten als Einsen und Nullen darstellen — Binärziffern, bekannt als "Bits", symbolisiert durch flicking Schalter-wie Transistoren, entweder aktiviert oder deaktiviert – Quanten-Computern verwenden Quantenbits oder Qubits, die in Überlagerungen sind — Bedeutung, die sie zur gleichen Zeit ein- und Ausschalten sind. Dies ermöglicht ein Qubit, zwei Berechnungen gleichzeitig durchführen. Im Prinzip können Quantencomputer arbeitest du viel schneller als bei normalen Computern bestimmte Probleme zu lösen, weil die Quantum Maschinen jede mögliche Lösung auf einmal analysieren können.

In ihrer neuen Studie gefangen Wissenschaftler baute einen Quantencomputer mit vier elektromagnetisch Calcium-Ionen. Sie kontrolliert und manipuliert diese vier Qubits mit Laserpulsen.

Die Forscher hatten ihre Quantencomputer simulieren, das erscheinen und verschwinden von virtuellen Teilchen in einem Vakuum, mit Paaren von Qubits repräsentieren Paare von virtuellen Teilchen – speziell, Elektronen und Positronen, die positiv geladenen Antimaterie Gegenstücke von Elektronen. Laserpulse geholfen, wie starke elektromagnetische Felder in einem Vakuum zu simulieren virtuelle Teilchen erzeugen können, sagte der Wissenschaftler.

"Dies ist eines der komplexesten Experimente, die jemals in einem Quantencomputer gefangen-Ionen durchgeführt wurde" Studie Co-Autor Rainer Blatt, eine experimentelle Physiker am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der österreichischen Akademie der Wissenschaften in Innsbruck, Österreich, in einer Erklärung sagte.

Diese Arbeit zeigt, dass Quantencomputer Hochenergiephysik simulieren können – zeigt, wie Partikel auf Energieniveaus Verhalten würde, die viel zu hoch, um einfach auf der Erde erzeugt werden. "Das Feld der experimentellen Quanten-computing wächst sehr schnell, und viele Menschen die Frage, was nützt ein kleines Quantencomputer?" Studie Co-Lead author Esteban Martinez, ein experimenteller Physiker an der Universität Innsbruck in Österreich, sagte Live Science. "Im Gegensatz zu anderen Anwendungen brauchen Sie nicht Millionen von Quantenbits diese Simulationen zu tun — ten könnte ausreichen, um Probleme zu lösen, die wir noch nicht angreifen kann mit klassischen Ansätzen." [Big Bang in die Zivilisation: 10 erstaunliche Herkunft Ereignisse]

Das Problem, das die Forscher ihre Quantensimulator analysieren hatten, war einfach genug für klassische Computer berechnen, die zeigten, dass die Quantensimulator Ergebnisse Vorhersagen mit großer Genauigkeit abgestimmt. Dies deutet darauf hin, dass Quanten-Simulatoren in Zukunft auf komplexere Gauge-Theorie-Probleme verwendet werden konnte, und die Maschinen konnten sogar neue Phänomene sehen.

"Unser Proof of Principle-Experiment ist ein erster Schritt in Richtung das langfristige Ziel der Entwicklung von zukünftigen Generationen von Quanten-Simulatoren, die auf Fragen eingehen können, die sonst nicht beantwortet werden kann," sagte Muschik.

Im Prinzip könnte Desktop-Quanten Simulatoren Modell helfen, die Art der außerordentlich Hochenergiephysik mit teuren Atom Smashers, wie dem Large Hadron Collider am CERN derzeit untersucht.

"Diese beiden Ansätze ergänzen sich perfekt," Studie Co-Autor Peter Zoller, ein theoretischer Physiker am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der österreichischen Akademie der Wissenschaften in Innsbruck, sagte in einer Erklärung. "Wir können die Experimente, die mit Teilchen Atomwissenschaftler fertig sind nicht ersetzen. Allerdings kann durch die Entwicklung von Quanten-Simulatoren, wir diese Experimente besser eines Tages verstehen können."

"Darüber hinaus können wir neue Prozesse mithilfe Quantensimulation studieren – zum Beispiel in unserem Experiment untersuchten wir auch Partikel Verschränkung produziert während der paar Schöpfung, die nicht in einem Teilchenbeschleuniger möglich ist," Blatt sagte in einer Erklärung.

Letztlich, Quanten-Simulatoren helfen können Forscher die Dynamik innerhalb der Toten Sterne bekannt als Neutronensterne zu simulieren, oder untersuchen "Fragen zu Wechselwirkungen, die auf sehr hohe Energien und hohe dichten, die Physik des frühen Universums beschreiben", sagte Muschik.

Die Wissenschaftler detailliert ihre Ergebnisse in der 23. Juni-Ausgabe der Zeitschrift Nature.