Квантовый компьютер имитирует Большой Взрыв: Реально ли увидеть, как рождалась Вселенная?
Представьте себе самый первый момент существования Вселенной — невообразимо плотное и горячее состояние, из которого, словно из волшебной шкатулки, рождается все сущее. Как заглянуть в эту «колыбель мироздания», скрытую от нас пеленой времени и пространства? Оказывается, нам на помощь могут прийти… квантовые компьютеры!
Недавнее исследование, опубликованное в престижном журнале Scientific Reports, демонстрирует, как с помощью квантовых вычислений можно имитировать процессы, происходившие в первые мгновения после Большого Взрыва. Речь идет о рождении частиц в стремительно расширяющейся Вселенной — явлении, которое до сих пор оставалось преимущественно теоретическим.
Зачем вообще моделировать Большой Взрыв?
Создать полноценную «теорию всего», объединяющую квантовую механику и общую теорию относительности Эйнштейна, — задача, над которой бьются лучшие умы человечества. Пока же физики используют «обходной путь», известный как квантовая теория поля в искривленном пространстве-времени (КТПИП).
Суть этого подхода в том, что пространство-время рассматривается как некая арена, где разворачиваются квантовые события. Сама «арена» описывается классическими уравнениями Эйнштейна, а вот «актеры» на ней — частицы и поля — подчиняются законам квантового мира. Это позволяет изучать, например, загадочное излучение Хокинга, исходящее от черных дыр, или… рождение частиц в ранней Вселенной.
Проблема в том, что проверить эти теоретические выкладки на практике крайне сложно. Условия, царившие в первые мгновения после Большого Взрыва, настолько экстремальны, что воссоздать их в земных лабораториях практически невозможно. Раньше ученые прибегали к аналоговым квантовым симуляциям, используя, например, конденсат Бозе-Эйнштейна. Но теперь на сцену выходят цифровые квантовые симуляции — и это открывает совершенно новые горизонты.
«Укрощение» шума: как обойти ограничения квантовых компьютеров
Марко Диас Маседа, один из авторов исследования, признается, что его всегда завораживала тайна рождения Вселенной. И квантовые вычисления оказались тем самым инструментом, который позволил прикоснуться к этой тайне.
Современные квантовые компьютеры, увы, далеки от совершенства. Они подвержены шумам, которые вносят искажения в вычисления. Существуют методы коррекции ошибок, но они требуют огромного количества дополнительных кубитов — базовых единиц квантовой информации. А компьютеры пока что располагают лишь десятками или сотнями кубитов.
Что же делать? Исследователи нашли элегантное решение: вместо того, чтобы исправлять ошибки, их можно… уменьшать. Суть метода в том, чтобы понять, как ошибки зависят от уровня шума. Зная эту зависимость, можно «отмотать назад» и получить результат, максимально приближенный к идеальному, безошибочному.
«Мы использовали всего четыре кубита, — поясняет Маседа. — Но из-за большого количества квантовых вентилей (аналогов логических операций в обычных компьютерах) ошибки накапливались. Чтобы получить достоверные результаты, мы применили специальные техники снижения ошибок».
Квантовая «машина времени»: как это работает?
Чтобы смоделировать рождение частиц в расширяющейся Вселенной, ученые использовали так называемую метрику Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера (FLRW). Она описывает, как пространство-время расширяется одинаково во всех направлениях.
В качестве «подопытного кролика» было выбрано массивное скалярное поле — гипотетическая сущность, которая, как считается, играла важную роль в ранней Вселенной. Его поведение описывается модифицированным уравнением Клейна-Гордона, учитывающим расширение пространства-времени.
Ключевую роль в процессе играют преобразования Боголюбова. Они позволяют рассчитать, сколько частиц «родится» при переходе от одного состояния пространства-времени к другому.
Сам процесс моделирования происходил на 127-кубитном процессоре Eagle компании IBM. Сначала ученые задали начальное состояние — вакуум, то есть состояние с минимально возможной энергией. Затем, с помощью специально разработанной квантовой схемы, они «запустили» процесс расширения и проследили за рождением частиц.
«Мы «перевели» состояния скалярного поля на язык квантовых компьютеров, сопоставив их с определенными кубитами, — рассказывает Маседа. — А затем, используя методики, разработанные моим научным руководителем, мы заставили эти кубиты эволюционировать так же, как эволюционировало бы скалярное поле в расширяющейся Вселенной».
Для этого потребовались сотни квантовых вентилей. А чтобы «обуздать» шум, исследователи применили метод экстраполяции нулевого шума (ZNE): они намеренно добавляли шум в систему, а затем, измерив его влияние, «отматывали» назад, получая результат, близкий к идеальному.
Первый шаг к пониманию Вселенной?
Несмотря на некоторые погрешности, симуляция показала рождение частиц, соответствующее теоретическим предсказаниям. Это доказывает, что квантовые компьютеры — даже с их нынешними ограничениями — могут стать мощным инструментом для изучения фундаментальных вопросов космологии.
«Наша работа открывает новый путь к моделированию процессов, происходивших в ранней Вселенной, — говорит Маседа. — Это позволяет нам глубже понять, как формировался наш космос».
Кто знает, возможно, в будущем именно квантовые компьютеры помогут нам разгадать самые сокровенные тайны Вселенной — от ее рождения до ее дальнейшей судьбы.