Квантовый компьютер нашел след рождения тяжелой частицы

Когда частицы сталкиваются на ускорителе, их энергия может превращаться в новые частицы. Физики умеют рассчитывать многие такие процессы, но проследить всю квантовую динамику взаимодействующих полей на обычном компьютере бывает чрезвычайно трудно. Исследователи из Калифорнийского технологического института и Вашингтонского университета сделали шаг к альтернативному подходу: они воспроизвели столкновение на квантовом процессоре IBM со 104 кубитами и обнаружили признаки появления более тяжелой частицы.

Это не означает, что внутри компьютера действительно столкнулись два объекта, как в Большом адронном коллайдере. Ученые закодировали математическую модель квантового поля в кубитах — элементах, которые до измерения могут находиться в сочетании нескольких возможных состояний. Изменяя их последовательностью операций, можно проследить, как эволюционировала бы моделируемая система. Такой способ называют цифровым квантовым моделированием.

Трудность начинается еще до столкновения. Чтобы воспроизвести движение частицы, необходимо подготовить волновой пакет — локализованное квантовое возбуждение, которое распространяется по системе. Он должен обладать заданной энергией и направлением движения, иначе результаты трудно интерпретировать. При этом пакет охватывает много участков модели, а их квантовые состояния оказываются взаимосвязанными.

Эта взаимосвязь называется запутанностью. Подготовка протяженных волновых пакетов традиционными методами требует множества последовательных слоев квантовых вентилей — операций над кубитами. На современных процессорах это неудобно: каждое действие вносит погрешности, а хрупкие квантовые состояния постепенно теряют согласованность. Поэтому даже простая задача рассеяния может оказаться недоступной из-за сложности подготовки исходного состояния.

Команда предложила обходной путь с использованием W-состояний — типа многокубитной запутанности, при котором одно возбуждение распределено между многими возможными позициями. Исследователи совместили промежуточные измерения кубитов с классической обратной связью: результат измерения определяет, какие операции выполнить дальше. Так дальнодействующую запутанность можно создавать с постоянным числом слоев схемы вместо увеличения ее глубины по мере роста пакета.

После подготовки двух пакетов, движущихся навстречу друг другу, ученые запускали квантовую эволюцию. Она описывается гамильтонианом — математическим объектом, задающим энергию системы и правила ее изменения во времени. Последовательность вентилей приближенно воспроизводила действие этого гамильтониана. В итоге можно было изучать не только исходное и конечное состояния, но и этапы взаимодействия.

Для проверки использовали одномерную теорию поля Изинга. Это упрощенная модель, в которой квантовые возбуждения взаимодействуют и образуют состояния разной массы. Она не воспроизводит реальные протоны, кварки или все взаимодействия Стандартной модели, зато позволяет проверить важный физический принцип на доступном оборудовании. В одномерном мире движение происходит только вдоль одной пространственной оси.

При низкой энергии столкновения два легких возбуждения расходились, не создавая новых частиц. При более высокой энергии моделирование давало признаки превращения одного из легких возбуждений в тяжелое. Дополнительная масса возникает за счет энергии взаимодействия — такую возможность выражает соотношение Эйнштейна между массой и энергией. Но тяжелую частицу не наблюдали напрямую: о ее появлении судили по характеристикам квантового состояния.

Одной из таких характеристик стала пространственная плотность энергии. Для двух расходящихся легких частиц она имеет распределение с двумя максимумами. При появлении тяжелого возбуждения форма меняется, в том числе ее асимметрия, которую можно измерить. На процессоре IBM зарегистрировали увеличение этой асимметрии после высокоэнергетического столкновения, согласующееся с предсказанием модели о рождении тяжелой частицы.

Для получения сигнала понадобились схемы с более чем 5000 двухкубитных запутывающих операций. Это испытание для шумного устройства: ошибки отдельных вентилей накапливаются и могут маскировать физический результат. Команда использовала высокую точность операций и методы подавления ошибок, чтобы извлечь данные. При этом результат остается демонстрацией на упрощенной модели, а не доказательством превосходства квантовых компьютеров над классическими в расчетах реальных столкновений.

Значение работы в том, что удалось упростить один из самых сложных подготовительных этапов. В будущем подход может помочь моделировать более протяженные волновые пакеты и точнее задавать энергию столкновения. Следующая цель — перейти от одного пространственного измерения к двум и трем, а затем включать более реалистичные поля и взаимодействия. Для расчетов уровня Большого адронного коллайдера потребуются более мощные квантовые компьютеры с коррекцией ошибок, но путь к ним стал яснее.