Квантовый компьютер имитирует Большой Взрыв: Реально ли увидеть, как рождалась Вселенная?

Физики впервые смоделировали рождение частиц в первые мгновения после Большого взрыва, используя квантовый компьютер. Эксперимент, проведенный на 127-кубитном процессоре IBM Eagle, подтвердил теоретические предсказания и открыл путь к изучению процессов, которые невозможно воспроизвести в земных лабораториях. Главным достижением стала демонстрация того, что современные, еще несовершенные квантовые системы способны решать задачи фундаментальной космологии.

Квантовый подход к «теории всего»

Создание единой теории, объединяющей квантовую механику и гравитацию, остается одной из главных целей физики. Пока ученые используют компромиссный подход — квантовую теорию поля в искривленном пространстве-времени. В этой модели пространство-время подчиняется классическим уравнениям Эйнштейна, а частицы и поля — законам квантового мира. Это позволяет изучать такие явления, как излучение Хокинга или рождение материи в ранней Вселенной. Однако проверить эти теории напрямую невозможно: экстремальные условия Большого взрыва невоспроизводимы.

Как обуздать квантовый шум

Ключевой проблемой является несовершенство современных квантовых компьютеров. Они подвержены шумам, искажающим результаты вычислений. Методы коррекции ошибок требуют огромного числа дополнительных кубитов, которых пока нет. Исследователи из Мадридского университета Комплутенсе нашли элегантное решение: они не исправляют ошибки, а уменьшают их влияние. Метод экстраполяции нулевого шума (ZNE) позволяет понять, как ошибки зависят от уровня шума, и «отмотать» результат назад, получив значение, максимально близкое к идеальному.

Моделирование космического расширения

В качестве модели ученые использовали метрику FLRW, описывающую однородное и изотропное расширение Вселенной. «Подопытным» стало массивное скалярное поле — гипотетическая сущность, важная для ранней Вселенной. Процесс моделирования занял всего четыре кубита, но потребовал сотен квантовых вентилей. Ключевую роль сыграли преобразования Боголюбова, позволяющие рассчитать количество рождающихся частиц при переходе от одного состояния пространства-времени к другому. Несмотря на погрешности, симуляция показала рождение частиц, соответствующее теоретическим предсказаниям. Это доказывает, что квантовые компьютеры уже сегодня могут стать мощным инструментом для изучения фундаментальных вопросов космологии. Ранее для подобных симуляций использовались аналоговые подходы, например, конденсат Бозе-Эйнштейна. Цифровые квантовые симуляции открывают новые горизонты, позволяя моделировать более сложные сценарии. Успех эксперимента означает, что в будущем квантовые вычисления могут стать стандартным инструментом для проверки космологических теорий, включая гипотезы о природе темной материи и темной энергии, а также для изучения физики черных дыр.