44 года спустя мечта Фейнмана сбылась — квантовые компьютеры симулируют рождение Вселенной

Физики всё ближе подбираются к задаче, которую ещё в 1981 году обозначил Ричард Фейнман: если мир устроен квантово, то и моделировать его необходимо квантовыми средствами. Его знаменитая мысль о том, что природа не классическая и её симуляции должны быть квантовыми, сегодня воплощается в масштабный международный проект. Классические компьютеры не справляются с описанием сложных процессов из-за экспоненциального роста вычислительных затрат при работе с переплетёнными состояниями. Квантовые устройства , построенные на принципах суперпозиции и запутанности, потенциально способны решить эту проблему.

Недавние эксперименты подтвердили, что квантовые симуляторы начинают выполнять своё предназначение. В Инсбруке (Австрия) группа Мартина Рингбауэра совместно с Кристиной Мушик из Университета Ватерлоо сумела воспроизвести участок двумерного электромагнитного поля. Учёные зафиксировали квантовое явление — рождение и исчезновение пар частиц на фоне флуктуаций. Хотя электродинамика давно хорошо изучена, цель команды шире: отрабатывая методы на известных теориях, они стремятся добраться до процессов, недоступных традиционным расчётам , например до состояний материи в экстремальных условиях ранней Вселенной.

Для продвижения к этой цели исследователи используют разные стратегии. Одни применяют цифровые квантовые компьютеры на кубитах , которые могут находиться одновременно в состоянии 0 и 1. Другие переходят к кудитам — системам, способным существовать в трёх и более состояниях. Такой подход оказался особенно результативным в Инсбруке: перевод алгоритма Мушик с кубитов на кудиты сократил число шагов в десять раз и уменьшил вероятность ошибок. Их установка основана на ионах кальция-40, где для кодирования информации задействованы пять энергетических уровней. Для моделирования двумерного участка поля хватило пяти ионов: четыре по углам и один в центре. Даже в таком минимальном варианте удалось зафиксировать сигналы, соответствующие рождению и аннигиляции пар частиц.

Развиваются и аналоговые симуляторы. В них одна квантовая система воспроизводит поведение другой без пошаговых алгоритмов: учёные просто наблюдают естественную эволюцию модели. В 2020 году был создан одномерный аналоговый симулятор квантовой электродинамики на массиве из 71 атома рубидия, охлаждённых почти до абсолютного нуля. В 2024 году в журнале Nature физики показали, как аналоговый симулятор воспроизводит эффект разрыва струны, когда электрическое поле между частицами «разрушается» из-за рождения новой пары. Хотя такие эксперименты пока ограничены размерностью и не охватывают все динамические эффекты, они демонстрируют потенциал метода.

Главной целью квантовых симуляций считается квантовая хромодинамика — теория сильного взаимодействия, объясняющая, как кварки и глюоны формируют протоны и нейтроны. Эта область чрезвычайно сложна, и классические вычисления быстро доходят до предела. Учёные надеются, что именно квантовые компьютеры помогут понять, как материя вела себя в первые мгновения существования Вселенной, а также дадут подсказки для создания новых материалов, включая экзотические состояния вроде сверхпроводимости при комнатной температуре.

Уже разработаны алгоритмы на кудитах для моделирования столкновений адронов. В таких процессах протоны или нейтроны распадаются на «суп» из кварков и глюонов, а затем быстро рекомбинируют. Симуляция этих событий может пролить свет на механизмы рождения адронов в ранней Вселенной. Сторонники аналогового подхода считают, что именно он лучше подходит для описания многокварковых систем и явлений вроде кварк-глюонной плазмы. В декабре 2024 года группа в Шэньчжэне и Мюнхене воспроизвела на рубидиевом симуляторе переход между плазменным состоянием кварков и связанным состоянием адронов.

Появляются и гибридные решения. В феврале 2025 года на одном из процессоров Google провели симуляцию, совмещающую цифровой и аналоговый подходы. Такая комбинация даёт одновременно гибкость алгоритмов и естественность эволюции модели.

Как отмечает Михаил Лукин из Гарварда, активно работающий в области квантового моделирования, сейчас это захватывающий, но всё ещё ранний этап. Учёные только закладывают фундамент. Перед ними открыта конкуренция между цифровыми, аналоговыми и гибридными методами, и пока нельзя предсказать, какой из подходов станет основным. Но сама возможность поставить Вселенную на стол с помощью квантовых симуляторов перестаёт быть метафорой и постепенно становится реальностью.