Что происходит, когда рождаются частицы? Квантовый компьютер впервые показал разрыв «невидимой» энергетической струны

09 июн 2025, 11:25

Представьте себе работу физиков у Большого адронного коллайдера. Они разгоняют частицы почти до скорости света, сталкивают их и получают… фейерверк. Ослепительную вспышку новых, экзотических частиц, которые разлетаются во все стороны и почти мгновенно распадаются. Детекторы скрупулёзно фиксируют этот финальный аккорд — осколки, оставшиеся после грандиозного события. Это похоже на то, как если бы вам показали последние кадры фильма и попросили восстановить весь сюжет.

Физики десятилетиями занимались именно этим: по конечным данным они, словно детективы, реконструировали события, произошедшие в триллионные доли секунды. Но что, если бы можно было не восстанавливать прошлое, а посмотреть его в реальном времени? Что, если бы мы могли нажать на «play» в момент столкновения и увидеть весь процесс рождения и взаимодействия частиц, кадр за кадром?

Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

До недавнего времени это оставалось научной фантастикой. Но сегодня квантовые компьютеры начинают превращать эту мечту в реальность, открывая новую эру в изучении фундаментальных законов Вселенной.

Почему обычный компьютер «не тянет»?

Может показаться странным, что самые мощные суперкомпьютеры мира, способные моделировать климат планеты или работу человеческого мозга, пасуют перед горсткой субатомных частиц. Загвоздка кроется в самой природе мира, который они пытаются описать. Квантовая механика — это царство вероятностей, неопределённости и мгновенных взаимодействий. Каждая частица — это не просто шарик, а волновая функция, существующая в облаке возможностей.

Когда частиц становится много и они взаимодействуют при высоких энергиях, сложность расчётов растёт экспоненциально. Классический компьютер, работающий с битами (чёткое «да» или «нет», 1 или 0), вынужден перебирать колоссальное количество состояний. Он может сделать качественный «моментальный снимок» системы, но проследить её непрерывную эволюцию во времени — «снять кино» — становится для него непосильной задачей. Динамика процесса ускользает.

a, Полный двумерный ЛГТ (вверху слева) может быть реализован путем размещения заряженной материи (серые кружки) на вершинах квадратной решетки и калибровочных полей на связях между ними (зеленые ромбики). Локальная калибровочная структура может быть использована для устранения поля материи и получения эффективной теории, включающей только калибровочные поля (справа). Наличие/отсутствие зарядовых возбуждений (красный/синий) или магнитных потоков (желтый/пурпурный) ощущается через связи. b, Нулевая температурная фазовая диаграмма ЛГТ в уравнении (1). c, В деконфинированной фазе заряды движутся свободно. В замкнутой фазе заряды колеблются вокруг равновесной конфигурации. Мы можем представить себе соединяющую их упругую струну, которая колеблется как в продольном, так и в поперечном направлениях, ограничивая их движение. Цитирование: Cochran, T.A., Jobst, B., Rosenberg, E. et al. Visualizing dynamics of charges and strings in (2 + 1) D lattice gauge theories. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08999-9
Автор: Cochran, T.A., Jobst, B., Rosenberg, E. et al. Источник: www.nature.com

Встречайте нового режиссёра: квантовый компьютер

И вот здесь на сцену выходит квантовый компьютер. Его главное преимущество — он говорит с природой на одном языке. Вместо битов у него кубиты, которые могут быть одновременно и 0, и 1, и чем-то средним между ними. Это позволяет им обрабатывать огромное количество вероятностных состояний не последовательно, а параллельно.

Недавно две независимые исследовательские группы — одна под руководством Торстена Цахе в Австрии, работавшая на машине от компании QuEra, и другая во главе с Педрамом Рушаном из Google на их знаменитом процессоре Sycamore — продемонстрировали, что эта идея работает на практике. Они взяли упрощённую, но ключевую задачу из Стандартной модели (нашего главного «свода правил» для всех частиц) и успешно «прокрутили» её на квантовом железе.

a, Последовательность ворот WALA, используемая для двумерной решетки из 35 кубитов, состоящей из 17 связующих кубитов (ромбы) и 18 анксильных кубитов (круги). Последовательность начинается с применения Ry(θ) к анксильным кубитам каждой плакетки, затем применяются C-NOT ворота к парам кубитов, начиная с центральных столбцов и двигаясь наружу. b, Оптимизированный угол θ, используемый в WALA. Зеленая кривая основана на численных расчетах для 35-кубитной сетки, а серая кривая показывает термодинамический предел. c, Энергетическая ошибка по сравнению с точным основным состоянием для трех ансатц: (1) WALA (зеленый); (2) торический код, θ = π/2 (синий); и (3) состояние продукта, |0⟩⊗N (желтый), для λ = 0,25. Сплошные линии соответствуют моделированию схемы, а заполненные круги получены из нашего эксперимента после уменьшения ошибки считывания (Дополнительная информация, раздел III. A). d, Экспериментально измеренные значения ожиданий операторов плакетки, вершины и Паули-Z для λ = 0,25 и hE ∈ {0, 0,3, 0,6, 1,0}, из WALA. Цитирование: Cochran, T.A., Jobst, B., Rosenberg, E. et al. Visualizing dynamics of charges and strings in (2 + 1) D lattice gauge theories. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08999-9
Автор: Cochran, T.A., Jobst, B., Rosenberg, E. et al. Источник: www.nature.com

Первый сеанс: разрыв «энергетической струны»

Что же они моделировали? Представьте себе две частицы, связанные невидимой резинкой. Пока они движутся вместе, всё спокойно. Но вот они начинают разлетаться в разные стороны. Резинка натягивается, вибрирует и, наконец, с оглушительным щелчком рвётся.

В мире элементарных частиц эта «резинка» — это струна чистой энергии, которая связывает, например, кварки внутри протонов и нейтронов. Это одна из манифестаций так называемого сильного взаимодействия. Разрыв этой струны — фундаментальный процесс, лежащий в основе рождения пар частица-античастица и объясняющий, почему мы никогда не видим кварки в свободном полёте.

Обе команды смогли смоделировать не просто момент разрыва, а весь процесс: от совместного движения частиц до натяжения и окончательного разлома энергетической связи. Они впервые визуализировали эту динамику, получив то самое «кино», которое было недоступно классическим машинам. Результаты в точности совпали с теоретическими предсказаниями и расчётами на обычных компьютерах для простых случаев, доказав состоятельность подхода.

Как отмечает Яд Халиме из Мюнхенского университета, эти эксперименты поставили квантовые симуляции «вровень» с лучшими классическими методами. Ещё один небольшой шаг вперёд в мощности квантовых компьютеров — и они смогут заглянуть туда, куда не мог заглянуть никто.

a, Схема создания пары из флуктуации вакуума и разрыва струны. b, Разница в значениях возбуждения заряда в присутствии и отсутствии струны ⟨Av⟩string — ⟨Av⟩vacuum, для λ ∈ {0, 0. 25, 0.50} при hE = 1.4 и t = 2.7, с dt = 0.3. c, Вероятность вершинного возбуждения P(Av) на трех различных вершинах A1 (золотой), A2 (зеленый) и Avac (черный) для λ ∈ {0, 0.25, 0.50} и hE = 1.4. Серая область, ограниченная декогеренцией, определяется средним значением P(Av) по всем вершинам, эволюционировавшим в начальное состояние со струной X для λ = 0, hE = 1,4. d, Зависимость P(Av) от hE, полученная при t = 2 (dt = 0,2), для λ = 0 (плюсы), λ = 0,25 (кресты) и λ = 0,50 (пятиугольники). Цитирование: Cochran, T.A., Jobst, B., Rosenberg, E. et al. Visualizing dynamics of charges and strings in (2 + 1) D lattice gauge theories. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08999-9
Автор: Cochran, T.A., Jobst, B., Rosenberg, E. et al. Источник: www.nature.com

От симуляции к реальности: что ждёт нас впереди?

Это не просто красивая демонстрация технологий. Это прототип инструмента, который может изменить правила игры в физике высоких энергий. Сегодня, анализируя данные с коллайдера, учёные видят результат и пытаются подобрать под него теоретическую модель. В будущем они смогут сначала запустить симуляцию столкновения на квантовом компьютере, а затем сравнить полученный «фильм» с реальными данными с детекторов.

Любое расхождение между предсказанием и реальностью станет бесценной зацепкой. Это может быть признаком того, что наша Стандартная модель неполна, что существуют новые, ещё не открытые частицы или взаимодействия. Мы сможем не просто искать иголку в стоге сена, а точно знать, где и как она должна выглядеть.

Конечно, до этого ещё далеко. Нынешние симуляции проходили в упрощённом двумерном пространстве и с небольшим числом частиц. Для полноценной работы потребуются машины с большим количеством стабильных кубитов и более совершенные алгоритмы.

Но путь уже намечен. Квантовые вычисления перестают быть абстрактной концепцией и становятся рабочим инструментом. Мы стоим на пороге эпохи, когда для познания Вселенной нам понадобятся не только более мощные ускорители, но и более умные симуляторы, способные воссоздать её законы в мельчайших деталях. Возможно, совсем скоро мы наконец сможем не только читать финальные титры космической драмы, но и посмотреть её с самого начала.

Опубликовано: Мировое обозрение Источник