Исследователи применили квантовые компьютеры для моделирования экстремальных состояний материи

Исследовательские группы из Вашингтонского университета и Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса достигли значительного этапа в квантовом моделировании, задействовав вычислительные ресурсы квантовых компьютеров IBM. Это достижение отмечает переход к практическому использованию квантовых технологий для решения фундаментальных задач физики.

Суть прорыва заключается в разработке и внедрении масштабируемых квантовых схем, которые позволили подготовить начальное состояние для симуляции столкновения частиц, сфокусировавшись на сильных взаимодействиях, описываемых Стандартной моделью. Ключевым аспектом, подтверждающим возросшую сложность моделирования, стало успешное воспроизведение основных характеристик ядерной физики с использованием более чем 100 кубитов на квантовых процессорах IBM. Классические суперкомпьютеры сталкиваются с непреодолимыми трудностями при решении уравнений, управляющих взаимодействием частиц в условиях высокой динамики или экстремальной плотности, что делает квантовые вычисления необходимым инструментом.

Успешное моделирование с задействованием свыше 100 кубитов подтверждает способность преодолевать барьеры в подготовке сложных начальных состояний, что ранее считалось серьезным препятствием в квантовых симуляциях. Исследователи впервые создали масштабируемые квантовые схемы для начального состояния, аналогичного тому, что возникает при столкновениях в ускорителях частиц, что является критически важным шагом для будущих динамических симуляций.

Квантовые алгоритмы открывают путь к моделированию вакуумного состояния перед столкновением и изучению систем с чрезвычайно высокой плотностью. Команда использовала результаты для определения свойств вакуума с точностью до процента и для генерации импульсов адронов с последующим отслеживанием их эволюции во времени. Потенциальные области применения, выходящие за рамки ядерной физики, включают материаловедение и медицину.

Успешное моделирование с использованием более чем 100 кубитов на оборудовании IBM, направленное на изучение сильных взаимодействий в рамках Стандартной модели, представляет собой ощутимый шаг вперед в применении зарождающихся квантовых технологий к фундаментальным научным вызовам. Это исследование, в котором участвовали такие структуры, как IQuS (Инкубатор квантового моделирования) при Вашингтонском университете, подтверждает жизнеспособность подхода, основанного на масштабируемых схемах, для симуляции экзотических состояний материи.