Учёные впервые запустили модель Вселенной на уровне теории квантового поля — вышло примитивно, но похоже

Квантовые вычисления совершили прорыв, который может изменить фундаментальные представления о моделировании Вселенной. Международная группа физиков из Австрии и Канады впервые провела симуляцию квантовой теории поля в двух пространственных измерениях, используя нетрадиционный подход к вычислительной архитектуре. Вместо стандартных кубитов исследователи применили так называемые кудиты — квантовые ячейки с пятью состояниями, что позволило воспроизвести сложные взаимодействия элементарных частиц, включая ранее недоступные для наблюдения магнитные поля.

Почему бинарного кода недостаточно для моделирования реальности

Современная физика описывает элементарные частицы как возбуждения квантовых полей. Электроны, кварки, фотоны — это лишь проявления глубинных полевых структур, взаимодействующих через электромагнитные, ядерные и гравитационные силы. Полное моделирование этой картины требует учета невероятного числа факторов, и классические компьютеры, оперирующие двоичным кодом, быстро упираются в вычислительный потолок. Квантовые системы, теоретически способные симулировать квантовые явления, также сталкиваются с ограничениями: обычные кубиты, имеющие всего два состояния (0 и 1), недостаточно емки для описания многомерной природы полей.

Кудиты как ключ к многомерному моделированию

Решение лежит в отказе от бинарности. Кубит может быть не только двухуровневым: в зависимости от количества состояний он превращается в кутрит (три состояния), кукварт (четыре) или куквинт (пять). В общем случае такие элементы называют кудитами. В России разработки на кудитах велись практически с момента зарождения национальных квантовых программ. Для новой работы австрийские и канадские физики выбрали куквинты — кубиты с пятью дискретными состояниями. Это позволило закодировать более сложное и многогранное поведение квантовых полей, недоступное для стандартных двоичных систем.

От одномерной линии к двумерной плоскости: эволюция эксперимента

Еще в 2016 году команда из Университета Инсбрука демонстрировала моделирование пары «частица-античастица». Однако тогда движение частиц было искусственно ограничено одной прямой линией. Как поясняют сами исследователи, снятие этого ограничения стало критическим шагом на пути к пониманию фундаментальных взаимодействий. В новой работе представлена первая в мире квантовая симуляция в двух пространственных измерениях. Физическая квантовая система для работы с кудитами была собрана в Австрии, а алгоритмы для расчета разработаны в Канаде.

Магнитные поля, которые ранее были невидимы

Ключевое достижение эксперимента — визуализация магнитных полей, возникающих между частицами. «Помимо поведения частиц, теперь мы также видим магнитные поля между ними, которые могут существовать только в том случае, если частицы не ограничены в движении одной осью. Это приближает нас на важный шаг к изучению природы», — отмечают ученые. Ранее в одномерных моделях эти эффекты были принципиально недоступны для наблюдения.

Перспективы: от квантовой электродинамики к сильным ядерным взаимодействиям

Представленная работа по квантовой электродинамике — лишь отправная точка. Исследователи уверены, что добавление всего нескольких дополнительных кудитов позволит распространить текущие результаты не только на трехмерные модели, но и на сильное ядерное взаимодействие. Именно оно удерживает атомные ядра от распада и содержит в себе многие из неразгаданных загадок современной физики. «Мы воодушевлены потенциалом квантовых компьютеров в изучении этих увлекательных вопросов», — резюмируют авторы.

За последние пять лет квантовые вычисления прошли путь от абстрактных теоретических построений до практических экспериментов, способных симулировать реальные физические процессы. В 2016 году моделирование частиц было возможно лишь на одномерной линии. Сегодня двумерная симуляция стала реальностью, и это означает, что темпы прогресса в этой области значительно ускоряются. Если текущая тенденция сохранится, то в ближайшие годы мы можем стать свидетелями создания первых полноценных квантовых симуляторов, способных воспроизводить фундаментальные законы Вселенной с беспрецедентной точностью. Это открывает путь не только к проверке теорий, но и к открытию новых физических эффектов, которые невозможно обнаружить ни в лаборатории, ни с помощью классических суперкомпьютеров.