Onderzoekers van Nikhef Maastricht hebben met behulp van een quantumcomputer deeltjessporen herkend in gegevens van de LHCb-detector.
De resultaten lijken vergelijkbaar met die van conventionele reconstructiemethodes, schrijven ze in een nieuw artikel op Communication Physics van Nature.
Promovendus Xenofon Chiotopoulos en collega’s beschrijven daar een succesvol experiment met track reconstruction op twee verschillende quantumcomputers. Het algoritme werkt voor sterk vereenvoudigde botsingen, is de conclusie.
Quantumcomputers werken op basis van qubits die niet alleen 1 of 0 zijn, maar een superpositie van beide. Daarmee kunnen in principe talloze versies van een rekenopdracht simultaan worden uitgevoerd. Quantumberekeningen vragen om heel andere algoritmes dan digitale berekeningen.
In een versnellerexperiment als LHCb op CERN botsen protonen op elkaar waarna de vrijkomende nieuwe deeltjes door de detector vliegen en daar sensoren activeren.
De opdracht bij baanreconstructie is om de sensorsignalen uit de detector met elkaar in verband te brengen zodat ze sporen van botsingen laten zien die fysisch onderzocht kunnen worden.
Klassieke spoorreconstructie werkt stap voor stap van een eerste signaal dichtbij de botsing naar plausibele verwante signalen verderop in de detector. De inzet van quantumcomputing is om dat hele patroon in één bewerking in talloze mogelijke relaties door te rekenen en daarna de beste antwoorden uit het resultaat te filteren.
LHCb Maastricht werkte al eerder aan quantum algoritmes voor dit soort vraagstukken. De onderzoekers hebben het vraagstuk van sporen in de LHCb nu wiskundig vereenvoudigd naar een stelsel van lineaire vergelijkingen. Ze gebruiken het bestaande HHL quantumalgoritme voor het oplossen van lineaire vergelijkingen om sporen te vinden.
Daarbij werden het beelden van sterk vereenvoudigde botsingen geanalyseerd met twee quantumcomputers, een op een online quantumplatform bij bij IBM en één bij Quantinuum. Daarbij werden signalen uit vijf detectorlagen doorgerekend.
Het resultaat van de experimentele berekeningen is veelbelovend, zegt Chiopoulos. Beide tests laten zien dat het ontworpen algoritme sporen herkent bij een vereenvoudigde toepassing van enkele deeltjes in vijf lagen van sensoren. Een klassiek algoritme vindt dezelfde sporen in veel meer rekenstappen, aldus de onderzoekers.
Quantumcomputing is een optie voor de verdere toekomst, zeg Chiopoulos. “Nu is de tijd om de technieken te verkennen.”
