Физики из Университета Иннсбрука (Австрия) и Технического университета Мюнхена (Германия) впервые использовали квантовый вычислитель для моделирования физики высоких энергий. С помощью четырехкубитного квантового компьютера авторы выяснили закономерности рождения электрон-позитронных пар из-за флуктуаций вакуума. Исследование опубликовано в журнале Nature, кратко о нем сообщает редакционная заметка журнала.

Ученые моделировали процесс, предсказанный квантовой электродинамикой — превращение энергии электрического поля в вакууме в материю. В результате этого образуются пары частица-античастица: электроны и позитроны. Уравнения квантовой электродинамики, описывающие этот процесс, в общем случае не решаются, однако существует несколько их упрощений, в рамках которых есть возможность вычислить вероятность рождения пар.

В качестве вычислителя физики использовали квантовый компьютер, роль кубитов в котором выполняли четыре иона, захваченные в оптическую ловушку. У каждого из этих ионов есть определенный спин — квантовая характеристика, собственный момент вращения. Эти моменты взаимодействуют между собой определенным образом, поэтому изменяя состояния одного иона мы влияем и на другие частицы — такие заранее предсказуемые изменения состояний можно рассматривать как вычисления.

Оптическая ловушка, в которой располагались четыре кубита квантового компьютера. Institut für Experimentalphysik

Таким образом, можно задать программу для моделирования рождения пары частица-античастица в виде определенной последовательности изменений спинов. В эксперименте для этого используются строго определенные импульсы лазера. «Программа» написанная авторами включала в себя 100 шагов вычислений — миллисекундных импульсов лазера. После ее окончания ученые считывали состояния ионов — они и были результатами вычислений. Половина ионов относилась к состоянию электрона, половина — к состоянию позитрона.

Сравнение предсказаний квантового компьютера (слева) с классическими вычислениями (справа). Esteban A. Martinez et al. / Nature, 2016

По словам ученых, вычисления подтвердили предсказания упрощенной модели квантовой электродинамики: чем выше энергия электрического поля, тем быстрее рождаются пары электрон-позитрон. Кроме того физикам удалось исследовать запутанность, возникающую между рожденными частицами — по запутанности между состояниями ионов. Однако, как отмечает Джон Чиаверини из Массачусетского технологического института, в дальнейшем масштабировать такие вычисления будет сложно — это связано с тем, что кубиты были выстроены в ряд. Авторы исследования заявили о своих планах провести вычисления на двумерных (плоских) массивах ионов. 

Одним из интересных применений для квантовых вычислений является моделирование столкновений тяжелых ядер. Классические компьютеры не справляются с этими задачами отмечает Андреас Кронфельд из Fermilab, занимающийся моделированием сильных взаимодействий. Другое направление связано с моделированием конфайнмента. Это явление тоже связано с сильным взаимодействием. Оно не позволяет кваркам — объектам, из которых состоят протоны, нейтроны и другие частицы — существовать поодиночке.

Процессы рождения пар частиц из вакуума ответственны за существования излучения Хокинга, поляризацию вакуума и лэмбовский сдвига. Впервые их пронаблюдали в 1933 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри в камере Вильсона. Источником энергии для рождения электронов и позитронов были гамма-кванты, порождаемые распадом радиоактивных ядер.

Ранее мы сообщали о разработке игрового приложения, моделирующего перемещения ионов в оптической ловушке. Несмотря на то, что приложение полностью построено на квантовой механике, знать ее необязательно. Первые пользователи игры, несмотря на отсутствие знаний физики, продемонстрировали лучшие результаты, чем компьютерные алгоритмы, разработанные учеными. Также IBM недавно открыла доступ к облачному сервису квантовых вычислений The IBM Quantum Experience.

Автор: Владимир Королёв