Учёные изучают вещество в
экстремальных условиях, чтобы раскрыть некоторые из наиболее фундаментальных свойств природы. Стандартная модель физики элементарных частиц содержит уравнения, необходимые для описания этих явлений, но во многих реальных ситуациях, таких как быстро меняющиеся или чрезвычайно плотные среды, эти уравнения становятся слишком сложными даже для самых современных классических суперкомпьютеров.
Квантовые вычисления предлагают многообещающую альтернативу, поскольку в принципе могут представлять и моделировать эти системы гораздо более эффективно. Однако основной проблемой является поиск надёжных методов для установления начального квантового состояния, необходимого для моделирования. В двух новых работах исследователи достигли первого результата: они создали масштабируемые квантовые схемы, способные подготовить начальное состояние столкновения частиц, аналогичное тому, которое создаётся в ускорителях частиц. Их тест сосредоточен на сильных взаимодействиях, описанных Стандартной моделью.
Команда начала с определения необходимых схем для небольших систем с помощью классических компьютеров. Как только эти конструкции были определены, они применили масштабируемую структуру схем для построения гораздо более крупных симуляций непосредственно на квантовом компьютере. Используя квантовое оборудование IBM, они успешно смоделировали ключевые особенности ядерной физики на более чем 100 кубитах.
Эти масштабируемые квантовые алгоритмы открывают возможности для симуляций, которые ранее были недостижимы. Этот подход может быть использован для моделирования вакуумного состояния перед столкновением частиц, физических систем с чрезвычайно высокой плотностью и пучков адронов. Исследователи предполагают, что будущие квантовые симуляции, построенные на основе этих схем, превзойдут возможности классических вычислений.
Такие симуляции могут пролить свет на важные открытые вопросы в физике, включая дисбаланс материи и антиматерии, создание тяжёлых элементов внутри сверхновых и поведение материи при сверхвысоких плотностях. Те же методы могут также помочь в моделировании других сложных систем, включая экзотические материалы с необычными квантовыми свойствами.
Команда проверила компоненты схемы, сначала протестировав их на небольших системах с помощью классических вычислительных инструментов, что подтвердило возможность систематического улучшения полученных состояний. Затем они расширили схемы, чтобы обрабатывать более 100 кубитов, и запустили их на квантовых устройствах IBM. Используя данные этих симуляций, учёные извлекли свойства вакуума с точностью до процента.
Они также использовали схемы для генерации импульсов адронов, а затем смоделировали, как эти импульсы эволюционировали во времени, чтобы отследить их распространение. Эти достижения указывают на будущее, в котором квантовые компьютеры смогут выполнять полные динамические симуляции вещества в экстремальных условиях, которые находятся далеко за пределами возможностей классических машин.