Физики впервые провели моделирование квантовой хромодинамики на квантовом компьютере и вычислили массы легчайших адронов. Исследователи моделировали не полную теорию, а ее упрощенную версию, описывающую один кварк и живущую в одном пространственном измерении.

Исследование опубликовано в Nature Communications.

Физики-теоретики умеют хорошо проводить вычисления в квантовых теориях, в которых есть малый параметр, по которому можно все вычисляемые величины разложить в ряд. Одна из самых важных теорий, в которых этот метод хорошо работает — это квантовая электродинамика, описывающая взаимодействие заряженных частиц с фотонами.

Роль малого параметра в ней играет заряд электрона. Если малого параметра в квантовой теории нет, то общая стратегия аналитических вычислений в ней неизвестна, и физики часто вынуждены прибегать к численному счету. Один из самых важных примеров такого счета — это численные расчеты в решеточной хромодинамике, описывающей взаимодействия кварков и глюонов, из которых состоят наблюдаемые сильновзаимодействующие частицы — адроны.

Решеточная хромодинамика является упрощением полной теории, в которой гладкое пространство, состоящее из бесконечного числа точек, заменяется решеткой с конечным числом узлов и соединяющих соседние узлы ребер. В этом формализме кварки живут на узлах решетки, а глюоны — на ребрах. Если в решетке N узлов, то квантовая теория поля сводится к теории, описывающей взаимодействие N точечных частиц друг с другом, с вычислениями в которой может справиться достаточно мощный компьютер.

Группа канадских физиков под руководством Кристин Муcчик (Christine Muschik) из Института квантовых вычислений Университета Уотерлу провела моделирование упрощенной версии решеточной хромодинамики на паре компьютеров, один из которых — это квантовый компьютер IBM.

Реальная хромодинамика описывает шесть кварков и столько же антикварков, каждый из которых имеет три «цвета» и, будучи квантовой теорией поля, определена в трех пространственных измерениях. Для проведения первого моделирования хромодинамики на квантовом компьютере исследователи взяли упрощенную версию реальной теории, которая описывает только один кварк со своей античастицей, которые могут находиться в двух цветовых состояниях. Вместо трехмерного пространства физики рассмотрели одномерную решетку, состоящую всего из четырех узлов.

В рамках хромодинамики можно проводить вычисления, касающиеся многих аспектов взаимодействия адронов друг с другом, но для начала ученые вычислили простейшие величины: массы легчайшего бариона, то есть частицы, состоящей из двух кварков, и легчайшего мезона, представляющего собой кварк-антикварковую пару.

Зависимость отношения массы легчайшего мезона к массе легчайшего бариона от обратного квадрата константы связи хромодинамики. Линиями изображены результаты аналитического расчета для двух, четырех и шести узлов решетки, а треугольниками и кружками — результаты численного счета на квантовом компьютере для двух и четырех узлов, соответственно / Y. Y. Atas et al. / Nature Communications, 2021

После всех сделанных учеными упрощений, с теорией стало возможно работать аналитически, и точно вычислить обе интересующие исследователей массы. Сравнение этих масс с результатами численного счета для разных значений константы связи показало очень хорошее совпадение.

Ученые надеются, что дальнейшее совершенствование квантовых компьютеров и программного обеспечения для них позволит проводить моделирование полной квантовой хромодинамики в трех пространственных измерениях. Это позволит изучать временную эволюцию различных величин в хромодинамике, а также работать при высоких плотностях вещества, что недостижимо для не-квантовых компьютеров.

О принципах работы квантовых компьютеров и том, каких типов они бывают, читайте в материале «Квантовое преследование».