Квантові алгоритми розкривають таємниці матерії Всесвіту

16 березня 2025 р. 15:44

16 березня 2025 р. 15:44

Група ядерних фізиків здійснила найбільшу на сьогодні цифрову квантову симуляцію з використанням квантових комп’ютерів IBM, розробивши масштабовані квантові схеми для моделювання складних фізичних систем на понад 100 кубітах, що відкриває шлях до дослідження матерії в екстремальних умовах, які неможливо змоделювати на класичних комп’ютерах.

Виклики моделювання екстремальних умов

Розуміння матерії в екстремальних умовах має велике значення для фундаментальної науки. Стандартна модель фізики елементарних частинок пропонує рівняння, які можуть пояснити багато загадок природи. Однак ці рівняння стають надзвичайно складними.

Особливо це помітно при дослідженні високої густини або динамічних процесів. Навіть найпотужніші класичні суперкомп’ютери не здатні ефективно моделювати такі системи. Квантові обчислення пропонують вирішення цієї проблеми.

Головним викликом для квантових симуляцій було ефективне приготування початкового стану на кубітах квантового комп’ютера . Це фундаментальний крок для моделювання зіткнень частинок та інших складних фізичних процесів.

Інноваційний підхід до квантового моделювання

Дослідники розробили новаторський метод створення масштабованих квантових схем. Вони почали з визначення цих схем для невеликих систем на класичних комп’ютерах. Це дозволило їм перевірити точність підходу.

Потім вони використали властивість масштабованості квантових алгоритмів. Це дозволило перенести симуляції на більші системи, недоступні для класичних обчислень. Команда змогла застосувати цю методику на квантових комп’ютерах IBM.

Важливу роль у розробці масштабованих квантових схем зіграли симетрії та ієрархії в масштабах довжини фізичних систем. Ці властивості допомогли підготувати стани з локалізованими кореляціями на квантовому комп’ютері.

Перші успіхи квантового моделювання

Результати виявилися вражаючими. Дослідники успішно підготували вакуум і адрони квантової електродинаміки в одному просторовому вимірі. Це відтворює фундаментальні аспекти ядерної фізики.

Команда змогла використати результати квантового комп’ютера для визначення властивостей вакууму з точністю до відсотка. Це демонструє потенціал квантових обчислень для отримання точних результатів у складних фізичних симуляціях.

Особливо значним досягненням стало моделювання імпульсів адронів. Дослідники спостерігали їхнє поширення та еволюцію в часі. Це наближає нас до розуміння динаміки фундаментальних частинок.

Перспективи для майбутніх досліджень

Масштабовані квантові алгоритми відкривають шлях до раніше недоступних симуляцій. Вони можуть застосовуватися для моделювання зіткнень частинок, систем з дуже високою густиною та пучків адронів.

Дослідники прогнозують, що майбутні квантові симуляції з використанням цих масштабованих схем перевищать можливості класичних обчислень. Це може привести до прориву в розумінні фундаментальних процесів нашого Всесвіту.

Ці симуляції допоможуть відповісти на ключові питання сучасної фізики. Чому матерії більше, ніж антиматерії? Як наднові створюють важкі елементи? Які властивості має матерія при надвисоких густинах?

Розроблені квантові схеми також обіцяють перспективи для моделювання інших складних систем , включаючи екзотичні типи матеріалів. Це розширює потенційне застосування методу за межі фундаментальної фізики.

Співпраця та технічна підтримка

Це дослідження стало можливим завдяки широкій співпраці та підтримці. Проект частково фінансувався Управлінням науки Департаменту енергетики США через кілька програм. Серед них InQubator for Quantum Simulation та Центр квантової науки.

Важливу роль відіграла потужна обчислювальна інфраструктура. Дослідники використовували ресурси Обчислювального центру Oak Ridge Leadership Computing Facility. Також була задіяна суперкомп’ютерна система Hyak у Вашингтонському університеті.

Квантові симуляції проводилися на квантових комп’ютерах IBM. Їхня надійність і достатня кількість кубітів дозволили виконати найбільшу на сьогодні цифрову квантову симуляцію.

Успіх проекту демонструє важливість міждисциплінарної співпраці та доступу до передових обчислювальних технологій. Він прокладає шлях до нового покоління квантових симуляцій, які можуть змінити наше розуміння фундаментальних законів природи.

Наука