Квантовый процессор на основе захваченных ионов продемонстрировал, как частицы генерируют магнитные поля

Глобальная команда учёных впервые осуществила квантовое моделирование двумерной решёточной квантовой электродинамики (КЭД) на процессоре с кудитами. Итоги данного исследования открывают новые горизонты для изучения фундаментальных взаимодействий в физике элементарных частиц посредством квантовых вычислений.

Квантовые калибровочные теории, которые формируют основу Стандартной модели, детализируют взаимодействие частиц через поля, такие как электромагнитное. Однако их симуляция остаётся сложной задачей, учитывая многомерный характер полей, который не поддаётся бинарной логике классических и кубитных вычислительных систем. Учёные предложили решение, внедрив кудиты — квантовые системы с пятью уровнями и более вместо традиционных двух.

«Предложенный нами метод позволяет естественным образом представить квантовые поля, значительно упрощая вычисления», — пояснил Майкл Мет, ведущий исследователь.

Эксперимент осуществлён на ионном процессоре, где каждый кудит представлял состояние калибровочного поля. Это позволило избежать необходимости преобразовывать многомерные поля в последовательности кубитов, упрощая схемы. Исследователи применили вариационный квантовый решатель (VQE) для определения основного состояния модели, включающей электроны, позитроны и фотоны. Впервые зафиксировано влияние динамической материи на квантованные магнитные поля, проявляющиеся исключительно в двумерных системах.

Значимым итогом стало изучение параметра, показывающего интенсивность магнитного поля внутри минимальной ячейки системы. Обнаружено, что его средние значения изменяются в зависимости от силы взаимодействия между частицами, что подтверждает теорию «бегущей» константы — основополагающего принципа, по которому взаимодействия изменяются в различных условиях. Кроме всего прочего, учёные смогли настраивать детализацию моделирования, используя квантовые элементы с разным числом состояний, что повысило точность вычислений.

Учёные сделали первые шаги в симуляции динамики в режиме реального времени, что позволило наблюдать появление пар частица-античастица при резких изменениях параметров модели. «Теперь мы фиксируем не только движение частиц, но и магнитные поля между ними, что приближает нас к исследованию реальных физических процессов», — отметил Мартин Рингауэр, руководитель экспериментальной группы.

Перспективы данного исследования выходят за пределы КЭД. Увеличение количества кудитов даст возможность моделировать трёхмерные системы и сильное ядерное взаимодействие, которое остаётся одной из главных загадок в физике. Существенно, что кудитный подход совместим с методами квантовой корректировки ошибок, что крайне важно для создания масштабируемых квантовых компьютеров.

Исследование не только расширяет горизонты квантовых вычислений, но и предлагает новые инструменты для решения задач, недоступных классическим суперкомпьютерам. «Наши результаты — это значительный шаг в направлении понимания структуры Вселенной», — подытожила Кристин Мушик, руководитель теоретической группы.

 

Источник: iXBT