Квантовый компьютер впервые смоделировал взаимодействие элементарных частиц
Элементарные частицы являются фундаментальными строительными "кирпичиками" вещества, и их свойства описываются Стандартной моделью физики элементарных частиц. Открытие бозона Хиггса, сделанное в 2012 году, является ещё одним шагом на пути подтверждения стандартной модели.
Но многие составляющие этой теории до сих пор остаются непонятными для учёных. Ведь даже на суперкомпьютерах моделировать эти природные процессы крайне сложно.
Квантовые компьютеры могут помочь, потому что они способы симулировать некоторые аспекты физики элементарных частиц в хорошо контролируемой квантовой системе.
Физики из Университета Инсбрука и Института квантовой оптики и квантовой информации при Австрийской академии наук сделали именно это. Исследовательская группа Райнера Блатта (Rainer Blatt) и команда учёных под руководством Петера Цоллера смоделировала решёточную калибровочную теорию (lattice gauge theories) в квантовом компьютере.
Поясним, что калибровочные теории описывают взаимодействие между элементарными частицами, такими как кварки и глюоны. Они являются основой для нашего понимания фундаментальных природных процессов.
"Динамические процессы, например, столкновение элементарных частиц или спонтанное формирование пары частица-античастица, очень трудно изучить, — объясняет Кристин Мушик (Christine Muschik), теоретический физик из Института квантовой оптики и квантовой информации. –Учёные быстро достигают предела при численных расчётах на классических компьютерах. По этой причине было предложено моделировать эти процессы с помощью программируемых квантовых систем".
Эксперты отмечают, что в последние годы было предложено много идей, но их до сих пор нельзя было реализовать.
"Теперь же мы разработали новую концепцию, которая позволяет нам симулировать спонтанное формирование пары электрон-позитрон из вакуума с помощью квантового компьютера", — говорит Мушик.
Тут стоит добавить, что вакуум по мнению физиков не является просто пустотой: по законам квантовой физики из него (как из тумана) постоянно появляются и в нём исчезают частицы.
Квантовая система, которую создали австрийцы, состоит из четырёх ионов кальция, пойманных в электро-магнитную ловушку. Ими управляют лазерные импульсы. "Каждая пара ионов моделирует пару частица и античастица", — объясняет экспериментальный физик Эстебан Мартинес (Esteban A. Martinez).
"Мы используем лазерные импульсы для моделирования электромагнитного поля в вакууме. Затем мы можем наблюдать, как пары частиц создаются посредством квантовых колебаний из энергии этого поля. И смотря на флуоресценцию ионов, мы видим, были ли созданы частицы и античастицы. Мы можем изменить параметры квантовой системы, что позволяет нам наблюдать и изучать динамику создания пары", — рассказывает Мартинес.
В ходе эксперимента физики из Университета Инсбрука проложили мост между двумя разными областями в физике. В то время как сотни теоретических физиков работают над сложными теориями стандартной модели и экспериментами, которые требуют затрат довольно больших средств, квантовые моделирования могут осуществляться небольшими группами в штабных экспериментах.
"Эти два подхода дополняют друг друга. Мы не можем заменить эксперименты, которые проводятся с помощью коллайдеров. Однако, разрабатывая квантовые симуляторы, мы, вероятно, сможем понять результаты этих экспериментов лучше", — говорит физик-теоретик Цоллер.
Экспериментальный физик Блатт добавляет: "Кроме того, мы можем изучать новые процессы с помощью квантового моделирования. Например, в нашем эксперименте мы также изучили запутанность частиц, полученную во время создания пар, что просто невозможно сделать в коллайдере".
Физики убеждены, что будущее квантовые симуляторы потенциально смогут решить важные вопросы в физике высоких энергий, которые невозможно изучить традиционными методами.
Впервые идея объединить физику высоких энергий и атомную физику прозвучала несколько лет назад. Благодаря этой новой работе она была впервые реализована экспериментально.
"Этот подход концептуально отличается от предыдущих экспериментов по квантовой симуляции и изучению многочастичной физики или квантовой химии. Моделирование элементарных процессов с участием элементарных частиц является теоретически очень сложным и, следовательно, должно удовлетворять весьма специфичным требованиям. По этой причине трудно разработать соответствующий протокол", — отмечает Цоллер.
Условия для экспериментальных физиков были непростыми: "Это один из самых сложных экспериментов, который когда-либо проводился в квантовом компьютере на основе ионов, захваченных в ловушке, — добавляет Блатт. – Мы всё ещё выясняем, как эти квантовые симуляторы работают, и постепенно приходим к пониманию того, способны ли они к более сложным вычислениям".
Результаты исследования были опубликованы в научном издании Nature.
