Недавние достижения в области аналогового и цифрового моделирования квантовых полей предвещают будущее, в котором квантовые компьютеры смогут исследовать явления, слишком сложные даже для самых мощных суперкомпьютеров.
автор: Кристина Армитидж/Quanta Magazine
С помощью обычных компьютеров невозможно создать точную симуляцию окружающего мира. Однако изначальной целью квантовых компьютеров является моделирование физической реальности. В 1981 году, задолго до того, как квантовые компьютеры стали известны как потенциальные инструменты для взлома шифрования, физик Ричард Фейнман заложил основу для того, что сейчас является многомиллиардным проектом по их созданию. Он, как известно, шутил: «Природа не классическая, чёрт возьми, и если вы хотите создать симуляцию природы, вам лучше сделать её квантово-механической».
Квантовые компьютеры, хоть и остаются небольшими и примитивными, уже достаточно развиты, чтобы физики могли использовать их для моделирования мельчайших элементов природы. Например, в лаборатории в Инсбруке, Австрия, физики недавно использовали квантовый компьютер для моделирования двумерного участка электромагнитного поля. Они наблюдали квантовое дрожание в своём цифровом поле — пары частиц, возникающие из ниоткуда и снова исчезающие.
Электромагнитное поле уже хорошо изучено. Но долгосрочная цель физиков — смоделировать сложные физические процессы, которые невозможно рассчитать с помощью ручки и бумаги. «Мы мечтаем о том, что будущий квантовый симулятор поможет нам найти ответы на животрепещущие вопросы», — сказала Кристин Мушик, физик-теоретик из Университета Ватерлоо в Канаде, которая объединила усилия с лабораторией Мартина Рингбауэра в Инсбрукском университете для моделирования электромагнитного поля. Эти вопросы касаются того, что происходит с материей в экстремальных условиях, например в тех, которые существовали во Вселенной в первые мгновения её существования. «В принципе, как только у нас появится крупномасштабный квантовый симулятор, мы сможем исследовать любой период ранней Вселенной», — сказал Джад Халиме, физик из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана. Моделирование сложных химических реакций и фаз вещества также может помочь в разработке лекарств и создании новых материалов с полезными свойствами, такими как сверхпроводимость при комнатной температуре. Физики идут несколькими путями к созданию симуляций неизведанного.
«Мы мечтаем о том, что будущий квантовый симулятор поможет нам найти ответы на животрепещущие вопросы» Кристин Мушик, Университет Ватерлоо
Некоторые команды используют стандартные квантовые компьютеры: программируемые машины, которые реализуют алгоритмы, вызывая взаимодействие между квантовыми битами, или «кубитами» В отличие от обычных битов, эти вычислительные элементы состоят из квантовых объектов, которые могут одновременно находиться в двух возможных состояниях, обозначаемых 0 и 1. Другие группы, например создатели двумерного электромагнитного поля, используют квантовые компьютеры на основе квантовых битов, или «кьюдитов» Эти квантовые объекты могут существовать в трёх или более возможных состояниях и, следовательно, могут кодировать больше информации. «Теперь мы можем мечтать о гораздо большем», — сказал Мушик.
Другие команды используют аналоговые квантовые симуляторы, которые моделируют одну квантовую систему с помощью другой, более простой в изготовлении. Это всё равно что поместить модель самолёта в аэродинамическую трубу, чтобы изучить аэродинамику настоящего самолёта. «Теперь у нас есть конкуренция, — сказала Халиме. — Это большой открытый вопрос: какое будущее нас ждёт — аналоговое или цифровое?»
Квант на кванте
Имитировать природу — значит имитировать квантовые поля — текучие сущности, заполняющие Вселенную. Когда энергия воздействует на квантовые поля, они приходят в движение, и это движение представляет собой элементарные частицы. Квантовые поля лежат в основе всей материи и частиц-переносчиков сил во Вселенной.
Попытки изучать поведение полей и частиц в реальном времени с помощью компьютерного моделирования не новы. На протяжении десятилетий физики пытались делать это, представляя квантовое поле в виде дискретной решетки точек. Таким образом, они могли решать физические уравнения только в этих точках, избегая невыполнимой задачи моделирования поля с истинным бесконечным разрешением. Но даже при таком приближении классическое компьютерное моделирование упиралось в стену. Это происходит из-за огромной сложности, связанной с квантовым феноменом под названием «запутанность». До измерения квантовой частицы она может находиться сразу в нескольких возможных состояниях. Затем, когда две частицы взаимодействуют, их неопределённые состояния начинают зависеть друг от друга. Например, измерение положения одной частицы меняет вероятность того, где может находиться другая. Это и есть запутанность.
С математической точки зрения запутанные частицы должны описываться как единое целое. В системе, состоящей из множества взаимодействующих квантовых частиц, математическое описание их взаимосвязей быстро усложняется. «В какой-то момент оно экспоненциально разрастается, — говорит Михаил Лукин, физик из Гарвардского университета и один из лидеров в области квантового моделирования. — На классическом компьютере не хватает памяти». По этой причине классическое моделирование квантовых частиц ограничено крошечными размерами системы и низким пространственным разрешением. Но квантовый компьютер, состоящий из квантовых элементов, изначально подвержен квантовой запутанности. «Квантовые компьютеры справляются с этим как с чем-то незначительным. Это очень дёшево», — сказал Халиме.
Вычисления следующего уровня
Большинство цифровых квантовых компьютеров хранят информацию в кубитах, состоящих из атомов или сверхпроводящих цепей, которые могут одновременно находиться в некоторой вероятностной комбинации состояний 0 и 1. Когда кубиты взаимодействуют, их возможные состояния запутываются, и эти взаимодействия могут кодировать вычисления.
В течение многих лет Мушик использовала кубиты для моделирования квантовой электродинамики — квантовой теории электромагнитного поля. Всё изменилось, когда она познакомилась с Рингбауэром во время совместной работы в Инсбрукском университете. «Это было естественное сочетание», — сказала Мушик, имея в виду свой алгоритм и его «прекрасную машину».
Кристин Мушик из Университета Ватерлоо (слева) и Мартин Рингбауэр из Инсбрукского университета недавно провели первое квантовое моделирование двумерного квантового силового поля. Габриэла Секара из Института теоретической физики «Периметр»; Франц Осс
Команда Рингбауэра создавала квантовый компьютер, в котором использовались не кубиты, а квинтиты — частицы с пятью возможными состояниями. Дополнительные возможности позволяли каждой частице хранить больше информации, что часто сокращало количество шагов, необходимых для сложных вычислений. Не все симуляции выигрывали от использования квинтитов, но сложность квантовых полей способствовала применению этого подхода. Когда Мушик перевела свою симуляцию с кубитной логики на квинтиты, её схемы сократились в десять раз. «Это было всё равно что посадить их на диету», — сказала она. Более короткий алгоритм работал быстрее и с меньшим количеством ошибок. «Я был полностью удовлетворён».
Команда опубликовала свои первые результаты в 2016 году, продемонстрировав одномерную симуляцию электромагнитного поля. Теперь, почти десять лет спустя, они успешно перешли на двухмерное моделирование электромагнитной плоскости с гораздо более сложной динамикой.
«Это большой открытый вопрос: какое будущее нас ждёт — аналоговое или цифровое?»
Джад Халиме, Мюнхенский университет Людвига-Максимилиана
Квидитовый симулятор создан на основе ионов кальция-40, которые являются распространённым строительным блоком для квантовых компьютеров. Внешние электроны каждого иона могут принимать восемь различных энергетических уровней; для представления квантовых цифр были выбраны пять из них. Эти энергетические состояния длятся всего секунду, после чего электроны теряют энергию и возвращаются в основное состояние, поэтому вычисления должны выполняться быстро; последовательность шагов в их симуляции занимала всего 10–20 миллисекунд. Чтобы сформировать квадратный участок электромагнитного поля, они используют пять ионов: четыре по углам и один в центре. В будущем они надеются расширить проект. «У нас есть этот строительный блок… и теперь мы можем просто ставить их друг на друга, чтобы создать большую решётку», — сказал Рингбауэр.
Даже с помощью всего пяти ионов команда смогла обнаружить сигналы, представляющие собой пары частиц, которые спонтанно возникали в смоделированном ими поле, когда алгоритм вызывал взаимодействия между кубитами. «Сначала вы видите, как образуется множество пар, — говорит Рингбауэр. Затем пары начинают сталкиваться и аннигилировать, «и вы получаете колебательное поведение плотности частиц». Их результат, опубликованный в Nature Physicsе в марте, представляет собой первое квантовое моделирование частиц и их квантового силового поля в двух измерениях, а также один из первых успешных запусков полноценного алгоритма на основе кубитов. Вскоре другая команда провела моделирование квантового поля на основе кубитов, опубликовав результаты в Nature в июне. Но чтобы по-настоящему воссоздать природу, этим исследователям нужно будет перейти на трёхмерный уровень.
Вселенная на столе
Что касается того, как лучше всего достичь этой цели, то некоторые физики делают ставку на другой подход. С помощью аналоговых симуляторов физики сопоставляют интересующую их квантовую систему с аналогичной системой, которая подчиняется уравнениям того же типа, но которую легче настроить и наблюдать за ней в лаборатории. Затем они позволяют своей лабораторной системе развиваться естественным образом, без пошагового алгоритма, как в цифровом квантовом компьютере. «Вы создаёте модель, похожую на то, что вы хотите изучить, а затем просто наблюдаете за её поведением», — говорит Рингбауэр.
Обычно модельные системы состоят из атомов, охлаждённых почти до абсолютного нуля, при котором начинают проявляться квантовые эффекты. «Если их охладить, эти атомы начнут двигаться вместе. Их уже нельзя описать по отдельности», — говорит Халиме.
Важным этапом в развитии аналогового подхода стал 2020 год, когда Халиме и Бинг Янг, физик-экспериментатор из Шэньчжэня, Китай, и их коллеги опубликовали аналоговую симуляцию квантовой электродинамики в одном измерении с использованием массива из 71 атома рубидия. И хотя подобные аналоговые симуляторы ещё не масштабированы до двух измерений, они уже близки к этому. В статье опубликованной в Nature в июне физики провели двумерную симуляцию «разрыва струны», при котором электрическое поле между двумя частицами действует как струна, которая «разрывается», когда между ними образуется новая пара частиц. Однако симуляция не учитывает всю динамику, присущую двумерной квантовой электродинамике. В ней отсутствует магнитное поле, как отметила Халиме в ответном сообщении.
Дорога Впереди
Для квантовых симуляторов настоящим трофеем станет поле, лежащее в основе сильного взаимодействия. Это взаимодействие связывает кварки и глюоны, образуя протоны и нейтроны. Квантовая теория поля, описывающая его, называется квантовой хромодинамикой, или КХД. Математически она намного сложнее теории электромагнитного поля. Но, вероятно, именно она содержит ключ к пониманию того, как ведёт себя материя в экстремальных условиях и как создавать новые типы экзотических материалов.
«Это довольно интересное время. Но в то же время ещё довольно раннее»
Михаил Лукин, Гарвардский университет
«В квантовой хромодинамике есть огромное количество вещей, которые мы не можем вычислить, — сказал Мушик. — Наше непонимание этого вопроса просто колоссально». Моделирование полной динамики квантовой хромодинамики — задача не из лёгких, но некоторые исследователи утверждают, что компьютеры на основе кубитов дают наилучшие шансы на её решение.
В недавнем препринте Халиме, Рингбауэр и их коллеги предложили алгоритм, использующий квиты для моделирования столкновений адронов — частиц, таких как протоны, которые состоят из кварков и глюонов. При столкновении двух адронов они распадаются на множество кварков и глюонов, а затем быстро рекомбинируют в процессе, называемом адронизацией. Исследователи надеются, что моделирование этого процесса поможет понять, как формировались адроны во время зарождения Вселенной. С другой стороны, Янг считает, что аналоговое моделирование лучше подходит для изучения сложных кварк-глюонных взаимодействий, поскольку частицы, как правило, образуются в больших количествах. С помощью аналоговых симуляторов «можно работать с действительно большими системами», — сказал он.
Похожие:
- Каковы реальные перспективы квантовых вычислений?
- Попытка количественно оценить квантовые явления
- Почему квантовые вычисления так сложно объяснить?
В прошлом году Янг начал использовать аналоговое моделирование, чтобы понять, как могла вести себя сильная сила в самые ранние моменты существования Вселенной, когда кварки и глюоны, которые позже стали частью адронов, могли существовать в виде несвязанной плазмы, называемой кварк-глюонной плазмой. В декабре 2024 года Янг, Халиме и их коллеги использовали аналог рубидиевого симулятора для имитации перехода между связанными и несвязанными состояниями кварков.Возможно, дихотомия между цифровым и аналоговым квантовым моделированием не сохранится. Во мн огих случаях для обоих типов моделирования можно использовать одно и то же оборудование. В феврале группа исследователей опубликовала результаты гибридного аналого-цифрового моделирования, проведённого на одном из квантовых компьютеров Google. Целью проекта было объединить универсальность цифровых вычислений и простоту аналоговой временной эволюции. «Все они изучают разные аспекты, но по-разному, — сказал Лукин о различных подходах. — Это довольно интересное время. Но оно ещё и довольно раннее».
источник: https://www.quantamagazine.org/; https://www.quantamagazine.org/analog-vs-digital-the-race-is-on-to-simulate-our-quantum-universe-20250905/