квантовое моделирование

Чёрная дыра — это лабиринт, из которого не выбраться. Но что происходит с информацией внутри? Чтобы проверить это, физики не полетели к ближайшей дыре, а собрали её крошечную копию на квантовом процессоре. Роль лабиринта сыграла цепочка из 32 сверхпроводящих кубитов, где каждый шаг ведёт только вперёд — как в коридоре с односторонним движением.

Прибор светит в образец инфракрасным лучом, и молекулы отвечают ему своим узором поглощения — как колокольчики разного тона. Этот узор, спектр, хранит сведения о химическом составе. Но чтобы прочитать его, специалист обычно сверяется с библиотекой готовых записей, а это медленно и не всегда возможно.

Квантовый компьютер — устройство, использующее квантовые биты, или кубиты, которые могут находиться в суперпозиции состояний, — обычно работает как конвейер: операции идут одна за другой, и каждая ошибка накапливается. В новой работе физики опробовали иной путь — архитектуру, где вычисление вырастает из самого процесса измерения.

Квантовый симулятор на ионных ловушках похож на оркестр, где каждый ион — музыкант, а фононная шина (общие колебания) — дирижёр, передающий сигналы. Пока все играют одну мелодию, всё идёт гладко. Но если попросить музыкантов одновременно исполнять две разные партии, дирижёр начинает сбиваться — возникают помехи, искажающие звук.

Компьютерное моделирование поведения веществ долгое время балансировало между двумя крайностями: быстрыми, но неточными эмпирическими моделями и точными, но вычислительно затратными методами квантовой физики.

Передача энергии при фотосинтезе напоминает детскую горку: она прогибается под весом одного ребёнка, изменяя траекторию для следующего.

Квантовый компьютер обещает решать задачи, которые обычному не под силу. Но где проходит граница? Авторы новой работы наткнулись на удивительный случай: электроны, собранные в пары, ведут себя как послушный оркестр. Даже если добавить немного «магии» — особого квантового ресурса, — их поведение остаётся предсказуемым.

В электромагнитной ловушке исследователи сформировали ионный кристалл — упорядоченную структуру из 150 ионов, охлаждённых до сверхнизких температур. Каждый ион ведёт себя как элементарный магнит, спин которого — вектор, способный ориентироваться в пространстве произвольно.

Внутри взрывающейся звезды нейтрино мчатся так густо, что начинают влиять друг на друга. Их квантовые состояния переплетаются — как нити в плотном клубке, где уже не разберёшь, где чья. Обычные компьютеры с трудом справляются с такой задачей, ведь число возможных состояний растёт лавинообразно.

Треугольные качели никогда не успокоятся: в системе трёх взаимодействующих атомов один всегда остаётся в подвешенном состоянии. Это и есть фрустрированный магнит — вечный танец без покоя, где спины (магнитные моменты атомов) не могут одновременно занять энергетически выгодное положение.

Лазерный луч удерживает одиночный ион в вакууме, и этот ион ведёт себя как шарик, запертый между двумя лунками. Лунки — это не ямы в земле, а области, где иону энергетически выгодно находиться. В классическом мире шарик скатился бы в одну из лунок и остался там. В квантовом мире ион размазан по обеим лункам сразу и время от времени проскакивает сквозь разделяющий их барьер.

Свет и вещество в крошечном мире ведут себя по законам, которые трудно просчитать даже на суперкомпьютере. Физики строят специальные «квантовые тренажёры» — установки, где холодные атомы играют роль частиц и полей. Но до сих пор такие тренажёры могли изображать поле лишь в самом простом виде: как будто оно либо есть, либо нет. Настоящий же свет обладает бесконечным числом оттенков.

Резинка натянута — и вдруг лопается. В мире атомов есть похожая картина: струна, связывающая частицы, может разорваться. В новой работе физики взяли цепочку атомов ридберговских атомов и проследили, как рвётся такая струна. При слабом натяжении струна рвётся полностью, и система распадается на несколько независимых кусков — как если бы резинка разлетелась на отрезки.

Квантовый компьютер из ионов в ловушке сыграл роль крошечной вселенной. В ней частицы не просто двигались, а сплетались в узлы, которые меняют свойства при обмене местами. Такие узлы называют фибоначчиевскими анионами — они не обычные частицы, а скорее вихри в ткани пространства.

Ультразвук в жидкости — это как быстрое встряхивание бутылки с газировкой: встряхнули — появились пузырьки. Только в науке это называют кавитацией, и пузырьки там не просто плавают, а рождаются, растут и лопаются с огромной силой.

Нейтронная звезда — это шарик размером с город, но весит он как полтора Солнца. Внутри такого шарика вещество сжато так, что чайная ложка его весила бы миллиарды тонн. Но из чего именно состоит эта материя, физики до конца не знают.

Шесть ионов бария выстроились в плоский шестиугольник внутри ловушки Пауля — устройства, которое удерживает заряженные частицы переменными электрическими полями. Но стоило слегка изменить форму удерживающего потенциала, как кристалл перестроился: один ион сместился в центр, а остальные пять образовали вокруг него кольцо.

Два актёра на одной сцене. Один — фермион, капризный и требовательный, его трудно заставить играть по правилам квантового симулятора. Другой — бозон, покладистый и неприхотливый, готовый занять любое место. Режиссёр надеется, что зритель не заметит подмены.

В 2023 году группа исследователей из Окриджской национальной лаборатории запустила на суперкомпьютере Theta симуляцию квантовой схемы из 61 кубита. Для хранения её вектора состояния потребовалось бы 32 эксабайта памяти — больше, чем суммарный объём всех жёстких дисков на планете. Но благодаря сжатию данных уложились в 768 терабайт.

В 1982 году физик Ричард Фейнман предложил простую идею: чтобы понять квантовую систему, нужно построить другую квантовую систему, которая ведёт себя так же. Так родился квантовый симулятор — устройство, которое не считает уравнения, а воспроизводит их в своём собственном поведении.