Ученые активно исследуют материю в экстремальных условиях, чтобы раскрыть наиболее фундаментальные законы природы. Стандартная модель физики элементарных частиц содержит уравнения, необходимые для описания этих явлений, однако во многих реальных ситуациях, таких как быстро меняющаяся среда или чрезвычайно плотная материя, эти уравнения становятся слишком сложными для обработки даже самыми передовыми классическими суперкомпьютерами.
Квантовые вычисления предлагают многообещающую альтернативу, поскольку они, в принципе, могут представлять и симулировать эти системы гораздо эффективнее. Однако одной из главных задач является поиск надежных методов для установки начального квантового состояния, необходимого для симуляции. В этой работе исследователи достигли первого прорыва: они создали масштабируемые квантовые схемы, способные подготовить стартовое состояние столкновения частиц, подобное тем, что образуются в ускорителях. Их тест сосредоточен на сильных взаимодействиях, описываемых Стандартной моделью.
Команда начала с определения необходимых схем для малых систем, используя классические компьютеры. Как только эти проекты были известны, они применили масштабируемую структуру схем для построения значительно более крупных симуляций непосредственно на квантовом компьютере. Используя квантовое оборудование IBM, ученые успешно смоделировали ключевые особенности ядерной физики на более чем 100 кубитах.
Эти масштабируемые квантовые алгоритмы открывают двери для симуляций, которые ранее были недоступны. Такой подход можно использовать для моделирования состояния вакуума перед столкновением частиц, физических систем с чрезвычайно высокими плотностями и пучков адронов. Исследователи ожидают, что будущие квантовые симуляции, основанные на этих схемах, превзойдут возможности классических вычислений.
Подобные симуляции могут пролить свет на важнейшие нерешенные вопросы физики, включая дисбаланс материи и антиматерии, образование тяжелых элементов внутри сверхновых звезд и поведение материи при сверхвысоких плотностях. Эти же методы могут также помочь в моделировании других сложных систем, включая экзотические материалы с необычными квантовыми свойствами.
Ядерные физики использовали квантовые компьютеры IBM для проведения крупнейшего в истории цифрового квантового моделирования. Их успех отчасти объясняется выявлением закономерностей в физических системах, включая симметрии и различия в масштабах длин, что помогло им разработать масштабируемые схемы, подготавливающие состояния с локализованными корреляциями. Они продемонстрировали эффективность этого алгоритма, подготовив состояние вакуума и адронов в одномерной версии квантовой электродинамики.
Команда проверила компоненты своих схем, сначала протестировав их на малых системах с помощью классических вычислительных инструментов, подтвердив, что полученные состояния могут быть систематически улучшены. Затем они расширили схемы для работы с более чем 100 кубитами и запустили их на квантовых устройствах IBM. Используя данные этих симуляций, ученые определили свойства вакуума с точностью до процента.
Ученые также использовали схемы для генерации импульсов адронов, а затем смоделировали, как эти импульсы развивались с течением времени, чтобы отследить их распространение. Эти достижения указывают на будущее, в котором квантовые компьютеры смогут выполнять полномасштабные динамические симуляции материи в экстремальных условиях, находящихся далеко за пределами возможностей классических машин.
Данное исследование получило поддержку от Офиса науки Министерства энергетики (DOE), Офиса ядерной физики, программы InQubator for Quantum Simulation (IQuS) в рамках инициативы Quantum Horizons: QIS Research and Innovation for Nuclear Science Initiative, а также Центра квантовых наук (QSC). Дополнительные вычислительные ресурсы были предоставлены Оук-Риджской лидирующей вычислительной лабораторией, а также суперкомпьютерной системой Hyak в Университете Вашингтона. Команда также выражает благодарность IBM Quantum за предоставленные услуги для этого проекта.
