Физики впервые применили квантовый компьютер для эмуляции мира частиц

Австрийские ученые впервые использовали квантовый компьютер для эмуляции процессов, происходящих с мельчайшими частицами материи на субатомном и квантовом уровне, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.

Так художник представил себе сверхстабильный кубит при комнатной температуре

«Динамические процессы в микромире, к примеру, столкновение элементарных частиц или спонтанное рождение пар частиц-античастиц, крайне сложно изучать. Сегодня мы уже близко подошли к пределу в тех вычислительных возможностях, которые могут нам предоставить классические компьютеры. Поэтому среди физиков давно есть идея симулировать эти процессы при помощи программируемых квантовых систем», — рассказывает Кристина Мушик (Christine Muschik) из университета Инсбрука ().

Мушик и ее коллеги реализовали эту мечту физиков-теоретиков, о которой впервые задумался знаменитый Ричард Фейнман, создатель атомной бомбы и основоположник квантовой электродинамики, используя квантовый компьютер из всего нескольких кубитов – ячеек памяти и примитивных вычислительных блоков, способных одновременно хранить в себе и ноль, и единицу.

Ученых интересовал один из самых сложных вопросов во всей квантовой электродинамике – то, как работают квантовые флуктуации вакуума, заставляющие пары частиц и античастиц рождаться из ничего. Существует несколько объяснений этой нестабильности вакуума, которые пока ученые не могут проверить из-за отсутствия нужных для этого инструментов.

Авторы статьи проверили одну из самых простых вариаций этих идей, так называемую одномерную модель Швингера, используя четыре иона кальция, «заключенных» в лазерную клетку, которые играли роль кубитов и составляющих  виртуального «вакуума».

Этот симулятор работает достаточно просто – наличие «единицы» в кубите означает наличие материи в той части вакуума, которую он симулирует, а «ноль» обозначает ее отсутствие. Запрограммировав их взаимодействие так, как указывает модель Швингера, ученые проследили за рождением пар позитрон-электрон в виртуальном вакууме.

Как показал данный эксперимент, результаты квантовых расчетов в целом соответствовали тому, что предсказывает теория. Это означает, что подобные конструкции и их более сложные аналоги действительно можно эффективно использовать для моделирования процессов в микромире и изучения его самых сложных тайн, до которых современные коллайдеры, в том числе и БАК, пока не могут добраться. Кроме того, такие машины позволят ученым проверить те вещи, такие как теории калибровочных полей, которые до сих пор оставались исключительно предметом споров теоретиков.