Физики превратили квантовый процессор в небольшой цифровой аналог коллайдера и получили признаки рождения новой частицы после столкновения. В опубликованной 11 сентября работе два волновых пакета столкнули внутри одномерной квантовой модели, а вычисление на 104 кубитах воспроизвело неупругое рассеяние, при котором энергия столкновения превращается в дополнительные частицы.
Речь не идёт о настоящих частицах, летящих внутри процессора. Квантовый компьютер численно воспроизводил поведение квантового поля, разбитого на дискретные участки. Каждый исходный волновой пакет представлял самую лёгкую частицу рассматриваемой теории. После столкновения при достаточно высокой энергии расчёт показал компоненту, соответствующую одной лёгкой и одной более тяжёлой исходящей частице.
Эксперимент провели в одномерной теории поля Изинга. Модель Изинга изначально появилась как математическое описание магнетизма, но со временем стала одним из основных инструментов для исследования фазовых переходов и квантовых систем. В новой работе физики использовали её как управляемую модель квантовой теории поля, где можно заранее рассчитать свойства частиц и проверить результат квантовой симуляции.
Тяжёлую частицу исследователи определяли не прямым измерением отдельного объекта. После столкновения команда измеряла распределение плотности энергии и анализировала его асимметрию. Возникшая после высокоэнергетического столкновения асимметричная компонента соответствовала сценарию неупругого рассеяния с появлением более тяжёлой частицы. При меньшей энергии, когда рождение такой частицы энергетически невозможно, характерного сигнала не возникало.
Расчёты выполнялись на процессоре IBM ibm_marrakesh семейства Heron, который располагает 156 сверхпроводящими кубитами. Для самого крупного варианта эксперимента физики задействовали 104 кубита и до 5589 двухкубитных операций. Большое число операций особенно важно для современных квантовых устройств: ошибки постепенно накапливаются и могут полностью скрыть физический сигнал задолго до завершения вычисления.
Ключевой частью работы стал новый способ подготовки начальных волновых пакетов. Алгоритм использует W-состояние, разновидность многочастичной квантовой запутанности, при которой одно возбуждение распределяется сразу между множеством кубитов. Затем промежуточные измерения и операции, выбранные в зависимости от полученного результата, превращают исходное состояние в нужный волновой пакет.
Такой подход устраняет один из серьёзных барьеров для цифровых симуляций столкновений. В предыдущих схемах глубина схемы росла вместе с пространственным размером волнового пакета, поэтому увеличение моделируемой области быстро делало расчёт слишком длинным для шумного квантового оборудования. В новом алгоритме глубина этапа подготовки не зависит от пространственного размера пакета. Авторы также построили схемы подготовки состояний для скалярной теории поля, модели Швингера и двумерной теории поля Изинга.
Само столкновение процессор прослеживал во времени после подготовки двух приближающихся пакетов. Подобные расчёты считаются одной из перспективных задач для квантовых машин, поскольку взаимодействие быстро создаёт сложное многочастичное состояние с растущей запутанностью. Классическим компьютерам становится всё труднее хранить и обновлять полное описание такой системы по мере увеличения числа степеней свободы.
Полученный результат пока нельзя сравнивать с работой Большого адронного коллайдера или использовать для расчётов реальных столкновений кварков и глюонов. Эксперимент ограничен одномерной упрощённой теорией, а современные квантовые процессоры по-прежнему требуют методов подавления и компенсации ошибок. Значение работы заключается в другом: квантовая машина уже смогла проследить столкновение до стадии, где энергия перераспределяется в состояние с новым набором частиц, а разработанный метод подготовки волновых пакетов можно переносить на более сложные теории.
Следующим серьёзным шагом станет переход к более высоким размерностям и теориям, которые классическим методам моделировать значительно труднее. Именно там цифровые квантовые симуляторы в перспективе могут стать вычислительным дополнением к настоящим ускорителям: экспериментальные установки будут сталкивать реальные частицы, а квантовые процессоры смогут рассчитывать динамику процессов, для которых прямое классическое моделирование становится слишком ресурсоёмким.
