Физики, работающие в американской Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми, более известной, как Фермилаб, выступили с собственным видением применения квантового компьютера. На этот раз ученым удалось определить, как именно вычислительное устройство может помочь разобраться с основами взаимодействий, происходящих в пределах видимого участка Вселенной.
Для большего понимания специфики предложенного физиками метода мы напомним, что в основе Вселенной лежат два вида частиц:
- фермионы – отвечают за непосредственное формирование материи, находятся в постоянном движении, которое нельзя остановить;
- бозоны – своеобразный соединитель фермионов, поддается принудительной остановке.
Сотрудникам Фермилаб удалось разработать подход, позволяющий вести работу именно с бозонами, применяя для этого квантовые компьютеры, разработанные для общего применения. Новость эта стала примечательной, ведь ранее специалистам удавалось удачно рассчитывать параметры, связанные исключительно с фермионами.
По словам ученых, которым довелось принимать участие в расчетах, итоги их работы могут значительно повлиять на будущее формирование систем для симуляции субатомного мира. Также специалисты отмечают, что подобный подход, включающий представление бозонов в вычислениях с применением квантового компьютера ранее игнорировалось в тематических научных работах. Отдельного внимания заслуживают слова Александра Макридина, возглавляющего проект: “Наш метод гораздо лучше, чем мы планировали”.
Главная сложность, с которой приходилось сталкиваться ученым при попытках моделирования бозонов – особенности кубитов – квантовых разрядов, на которых основывается хранение информации в квантовых компьютерах. Если вернуться к вопросу, связанному с особенностями фермионов, то можно отметить наличие у них всего двух состояний. Фермионы могут быть занятыми или незанятыми. Аналогично этому обстоят особенности кубитов, состоящих из единиц и нулей. Именно это свойство позволило значительно облегчить количество квантовых битов, задействованных при построении модели фермионного процесса с использованием квантового компьютера. Система проста: одно состояние кубита присваивается занятому, а другое – незанятому.
Для справки: первый экспериментальный компьютер, который можно квалифицировать как квантовый, был разработан в IBM еще в 2001 году. Работать он мог всего с 7 кубитами. Сегодня лидируют в сфере: Google, представившие 72-кубитный процессор Bristlecone, а также D-Wave Systems из Канады. Последним удается производить разные системы: от 16-кубитных до 2000-кубитных.
Отличительной особенностью бозонов является переменчивое состояние. Специфика движения не позволяет привязывать их к квантовым битам, как в случае с фермионами. На сегодняшний день невозможно в полной мере сформировать представление даже одного бозона. По самым скромным подсчетам для реализации подобного процесса необходимо использовать более миллиона кубитов. Увы, сегодняшние технологии не позволяют останавливаться ученым на таком подходе.
Александр Макридин с группой ученых нашли иной способ расчетов с квантовым компьютером. Впервые была применена квантовая теория поля – раздел физики, который фокусируется на моделировании субатомных структур. Было выполнено моделирование взаимодействия электронов в кристалле с колебаниями атомов, которые как раз и образуют кристалл. Полученная вибрация сформировала бозон, называемый фотоном. Через квантовый компьютер, который присутствует у Аргоннской национальной лаборатории, была построена модель электрон-фононной системы. Итог – максимально точное определение необходимых свойств. Причем процесс выполнялся при использовании всего 20 кубитов.
