Квантовое моделирование начинает воссоздавать облик Вселенной

Малые квантовые машины, большие космические амбиции

За последний год волна публикаций показала, что программируемые квантовые процессоры теперь способны воспроизводить динамику простых квантовых полей в реальном времени — ту же математику, которая используется для описания столкновений частиц, кварк-глюонного «супа» ранней Вселенной и экстремального состояния материи внутри нейтронных звезд. Эти эксперименты еще не воспроизводят полноценную трехмерную квантовую хромодинамику, но они демонстрируют масштабируемые архитектуры схем и стратегии смягчения ошибок, которые выводят квантовое оборудование в режимы, где проявляются качественно новые явления.

Группы исследователей провели эксперименты по рассеянию и столкновению волновых пакетов на коммерческих сверхпроводниковых устройствах, доступных через квантовое облако IBM, используя процессоры, названные в честь исследовательских стендов и семейств из парка систем IBM. Эти запуски охватывали от десятков до более чем сотни кубитов и опирались на тщательно сжатые схемы для достижения тысяч двухкубитных гейтов — достаточно долго, чтобы в измеряемых величинах проявились физические эффекты, возникающие после столкновения.

Что именно они моделировали?

Недавние работы сосредоточены на упрощенных, но физически значимых моделях: одномерных решеточных калибровочных теориях и теориях скалярного поля, которые отражают ключевые процессы физики частиц. В этих установках исследователи подготавливают локализованные волновые пакеты, имитирующие налетающие частицы, развивают их во времени согласно гамильтониану взаимодействующего поля, а затем считывают, как распределяются энергия, заряд и состав частиц после столкновения. Результаты включают упругое и неупругое рассеяние, рождение частиц и режимы, в которых состояние после столкновения либо делокализуется, либо остается локализованным в зависимости от настраиваемых параметров модели.

Как они масштабировали схемы

Эти эксперименты заслуживают внимания благодаря двум техническим решениям. Во-первых, команды разработали компактные анзацы схем, которые представляют вакуумные состояния и локализованные возбуждения с гораздо меньшим количеством гейтов, чем потребовалось бы при наивной оцифровке. Эти методы вариационного сжатия и процедуры создания волновых пакетов означают, что одну и ту же логическую симуляцию можно расширить на более крупные решетки без линейного взрывного роста числа гейтов. Во-вторых, исследователи объединили приемы внутри схемы для подготовки запутанных состояний W-типа, шаги упреждающей связи и тщательно выбранные декомпозиции Троттера для эволюции во времени, чтобы достичь поздних моментов после столкновения — окна, где проявляются рождение частиц и «шрамы» рассеяния. Именно эти алгоритмические улучшения позволили проводить расчеты на десятках и сотнях кубитов, по-прежнему получая физически значимые сигналы.

Реалии на устройствах: гейты, шум и смягчение ошибок

Эти эксперименты довели современное сверхпроводниковое оборудование до предела: в отчетах о запусках фигурировали тысячи двухкубитных гейтов и глубина двухкубитных схем от десятков до первых сотен. На таком масштабе собственный шум устройства полностью стер бы сигнал, поэтому команды применили методы смягчения ошибок, настроенные на локальные наблюдаемые величины. Один из подходов — смягчение ошибок на основе маргинальных распределений — восстанавливает статистику низкого порядка из зашумленных измерений; другие используют экстраполяцию к нулевому шуму и перенормировку операторов. Проверяя результаты с исправленными ошибками на классических симуляциях на основе матричных произведений состояний (MPS) на коротких и средних временах, группы ученых показали, что квантовое оборудование уже предоставляет достоверные «снимки» неравновесной динамики поля.

Что было обнаружено — отголоски ранней Вселенной и плотных звезд

Хотя модели имеют меньшую размерность, симуляции воспроизводят поведение, важное для физики высоких энергий и астрофизики. Запуски продемонстрировали неупругое рождение частиц — превращение энергии в новые возбуждения в поле — процесс, аналогичный созданию частиц при столкновениях высоких энергий и, на концептуальном уровне, тому, как горячая и плотная ранняя Вселенная порождала материю из энергии. В прогонах решеточной калибровочной теории команды могли настраивать топологический параметр (так называемый Θ-член) и массу фермиона, чтобы переключать динамику после столкновения между режимом делокализации и режимом с четкими локализованными остатками, напоминающими эффекты конфайнмента и разрыва струны, изучаемые в физике частиц. Это те же механизмы, которые управляют связыванием кварков и множественностью частиц в столкновениях тяжелых ионов, а также влияют на уравнение состояния внутри нейтронных звезд.

Почему это важно — и чего это пока не позволяет

Классические методы мощны, но они сталкиваются с трудностями при решении определенных квантовых задач в реальном времени и при анализе динамики, далекой от равновесия. Квантовые процессоры естественным образом эволюционируют квантовые состояния, поэтому они обещают прямой путь к моделированию зависящих от времени процессов, которые экспоненциально затратны на классических машинах. Недавние демонстрации служат доказательством концепции: цифровые квантовые симуляторы могут подготавливать взаимодействующие волновые пакеты, сталкивать их и считывать нетривиальные сигнатуры после столкновения, которые согласуются с классическими предсказаниями там, где они существуют, и распространяются на те режимы, где классические приближения становятся затруднительными.

Тем не менее, эти эксперименты еще не являются симуляциями полноценной КХД внутри реальной нейтронной звезды или всей трехмерной плазмы Большого взрыва. В большинстве запусков используются усеченные представления электрического поля, сокращенное количество пространственных измерений или упрощенные калибровочные группы. Следующие шаги очевидны: лучшие кубиты, более длительная когерентность и, в конечном счете, коррекция ошибок, чтобы схемы могли представлять полное гильбертово пространство трехмерных калибровочных теорий при физически релевантных энергиях. Дорожные карты аппаратного обеспечения от крупных вендоров предполагают устойчивый прогресс в создании более крупных устройств с меньшим уровнем ошибок и специализированных стендов для квантового моделирования с коррекцией ошибок в конце 2020-х годов.

Перспективы: от снимков к экспериментам

На данный момент область создает лабораторию нового типа. Вместо детекторов, окружающих коллайдер, ученые выстраивают квантовые схемы, которые воспроизводят динамику поля, а затем зондируют результат с помощью целевых измерений. Непосредственная научная выгода двояка: во-первых, доступ к качественным непертурбативным явлениям в контролируемых моделях; во-вторых, быстрая итерация между разработкой алгоритмов и экспериментами на устройствах для совершенствования аппаратно-программного интерфейса для по-настоящему масштабных симуляций.

В течение пяти-десяти лет, если текущие тенденции в сжатии алгоритмов, смягчении ошибок и масштабировании оборудования сохранятся, следует ожидать появления квантовых симуляций, которые дадут ответы на количественные вопросы в адронной физике, астрофизике плотной материи и динамике ранней Вселенной — не заменяя ускорители или телескопы, а предлагая взаимодополняющий, внутренне квантовый взгляд на процессы, которые в противном случае непрозрачны для классических вычислений.

Заключительная мысль

Недавние запуски, поддержанные IBM, еще не представляют собой цифровое воссоздание ядра нейтронной звезды или всей горячей плазмы Большого взрыва. Однако они являются технологической и концептуальной вехой: квантовые процессоры теперь могут моделировать столкновения и динамику поля после столкновения способами, которые еще несколько лет назад были лишь теорией, и эти «снимки» уже несут на себе отпечатки сложной физики, которую мы связываем с самыми экстремальными моментами существования Вселенной. По мере совершенствования оборудования и алгоритмов эти снимки будут складываться в более длинные и содержательные фильмы о квантовой материи в экстремальных условиях.