Новая веха квантовой симуляции? Квантовый компьютер показал «невидимые» силы между частицами

Физики совершили прорыв в квантовом моделировании, впервые симулировав двумерную квантовую электродинамику (КЭД) на квантовом компьютере нового типа. Ключом к успеху стал отказ от стандартных кубитов в пользу так называемых «кудитов» — квантовых ячеек, способных хранить не два, а три и более состояний. Это позволило обойти фундаментальное ограничение, которое десятилетиями мешало ученым перейти от одномерных моделей к реалистичным расчетам фундаментальных сил природы.

Проблема «черно-белого» мышления в квантовой физике

Стандартные квантовые компьютеры оперируют кубитами, которые могут быть либо 0, либо 1. Этого достаточно для многих задач, но при моделировании квантовых полей, таких как электромагнетизм, возникает колоссальная сложность. Поле обладает не только силой, но и направлением, и его точное описание требует огромного количества кубитов и ресурсов. Ученые из Инсбрукского университета и Университета Ватерлоо предложили элегантное решение: использовать кудиты. Эти «многозначные» элементы (например, кутриты с тремя уровнями или куквинты с пятью) позволяют кодировать сложные поля более естественно, без дробления на бесконечные нули и единицы.

Первый шаг в двухмерный мир

Предыдущие симуляции КЭД, включая моделирование рождения электрон-позитронных пар, были возможны только в одном измерении — частицы двигались по прямой линии. Новая работа, опубликованная в Nature Physics, впервые демонстрирует симуляцию в двух пространственных измерениях. Это принципиальное отличие: частицы обрели свободу перемещения по плоскости, что позволило воспроизвести генерацию магнитных полей между ними. Как отмечает один из авторов, Кристин Мушик, раньше частицы были «на привязи», а теперь их поведение гораздо ближе к реальности.

Эксперимент подтвердил, что использование кудитов вместо кубитов радикально повышает эффективность вычислений. Команде удалось решить задачу, которая ранее была практически нерешаемой для классических и даже многих квантовых систем.

Двумерная симуляция — это лишь этап. Ученые уже заявляют, что техника с кудитами открывает путь к моделированию сильного ядерного взаимодействия — силы, склеивающей протоны и нейтроны в ядрах. Следующая цель — трехмерные модели и изучение кварк-глюонной плазмы. По сути, исследователи нашли язык, на котором можно «разговаривать» с квантовым миром без посредников, и этот язык оказался гораздо богаче, чем двоичный код.