вариационный квантовый собственный решатель

Кораблик в бутылке собирают не снаружи, а внутри: через узкое горлышко протаскивают мачты и паруса, и внутри стекла они сами встают в нужную позу. Примерно так же химики поступили с отдельной молекулой кобальтоцена, которую затянули в щель между слоями двумерного кристалла.

Электрическая сеть, насыщенная силовой электроникой — преобразователями, инверторами, выпрямителями, — напоминает огромный оркестр без дирижёра. Каждый компонент вносит свою ноту, и иногда инструменты начинают звучать невпопад. Возникают резонансы — невидимые колебания тока и напряжения, которые могут выйти из-под контроля и вывести систему из строя.

Фазовый переход — это момент, когда вещество меняет своё состояние, как вода превращается в лёд. В квантовом мире такие переходы происходят при абсолютном нуле, и увидеть их напрямую почти невозможно. Обычно для этого строят сложнейшие компьютерные модели, требующие огромных ресурсов. Метод Delta-VQE предлагает обходной путь.

Квантовый компьютер похож на капризный музыкальный инструмент: малейшее изменение температуры, влажности или настройки струн — и мелодия звучит иначе. В гибридных алгоритмах, где квантовый чип работает в паре с обычным компьютером, таких «струн» десятки: выбор квантовой схемы, способа подавления помех, числа попыток и даже версия программы.

Сложный финансовый контракт можно представить как пари: итоговая выплата определяется изменчивостью валютных курсов и накопленных процентов. Такую неопределённость физики называют энтропией — мерой разброса возможных исходов. Чтобы оценить риск, необходимо перебрать все мыслимые сценарии, словно отыскать все тупики с ловушками в гигантском лабиринте.

В глубине детектора Большого адронного коллайдера сталкиваются протоны, и на короткий миг рождается нечто тяжёлое. Оно мгновенно рассыпается на два бозона Хиггса — частицы, которые, как матрёшки, скрывают в себе ещё по две пары b-кварков.

Квантовый компьютер измеряет энергию молекулы примерно как старая рулетка, у которой есть только деления через метр. Если реальная длина стола – 2,37 метра, рулетка покажет «два с чем-то», и точнее никак. Физики называют это разрешением: шаг сетки, мельче которого не прыгнуть. Авторы новой работы превращают этот недостаток в преимущество.

Квантовый вакуум напоминает море, непрерывно волнующееся мельчайшими всплесками — это аналогия, упрощённо передающая постоянные флуктуации полей даже в отсутствие реальных частиц. Электрон в атоме движется в этом море, и его траектория слегка меняется из-за взаимодействия с виртуальными частицами, рождающимися и исчезающими в вакууме.

Лёгкие — это не два мешка, а миллионы крошечных пузырьков, куда заходит воздух и подходит кровь. Чтобы увидеть, как они работают, врачи иногда используют МРТ без контрастного вещества: прибор ловит слабые сигналы от самих тканей. Но сигналы эти похожи на радиоприёмник в грозу — дыхание сбивается, пульс скачет, и картинка разваливается.

Две крошечные пылинки парят в перекрестье лазерных лучей. Каждая удерживается своим «пинцетом» — сфокусированным лучом, который не даёт частице упасть. Внутри зеркальной полости свет мечется между стенками, и его колебания связаны с дрожанием пылинок. Обычно такие частицы непрерывно дрожат из-за теплового движения, и это дрожание мешает увидеть квантовые эффекты.

Молекула воды похожа на крошечную гантель: два атома водорода крепятся к атому кислорода под углом. Эта гантель не стоит на месте — она растягивается, сжимается и вращается. Каждое такое движение имеет свою энергию, как ступеньки лестницы. Чтобы понять, как вода поглощает свет или участвует в химических реакциях, нужно знать высоту этих ступенек.

Квантовый компьютер IBM Heron R3 справился с задачей, перед которой отступил классический метод. Речь о поиске основного состояния — самого низкого энергетического уровня системы из 49 квантовых битов. Классический метод SCI (selected configuration interaction) перебирает варианты, но на этой задаче он не нашёл правильный ответ.

В обычной батарее есть два электрода — анод и катод. В твердотельных аккумуляторах (где электролит твёрдый, а не жидкий) инженеры стремятся исключить анод как отдельную деталь: тогда батарея становится легче и может запасти больше энергии.

Обычный протон состоит из трёх кварков — как табуретка на трёх ножках. Но природа не запрещает собрать и «кресло» из четырёх кварков, если два из них — тяжёлые прелестные, а два — лёгкие. Такие частицы называют тетракварками, и до сих пор их изучали в основном на больших ускорителях, сталкивая частицы и разбирая обломки.

Кристалл флюорита похож на прозрачное стекло, но стоит добавить в него немного атомов эрбия — и он начинает иначе пропускать свет. Одни цвета поглощает сильнее, другие слабее. По этой «оптической подписи» можно понять, есть ли в кристалле примесь. Авторы работы рассчитали, как свет взаимодействует с двумя видами кристаллов: чистым и с добавкой эрбия.

В детекторе коллайдера каждое столкновение протонов оставляет след из десятков частиц — как брызги от брошенного в воду камня. Разобраться в этих брызгах и понять, что именно произошло в момент удара, — задача, с которой человек уже не справляется в одиночку.

В каждой горсти плодородной почвы живут бактерии, которые делают то, чего не умеет ни один завод: берут азот прямо из воздуха и превращают его в удобрение. Секрет спрятан в ферменте нитрогеназе, а его рабочий узел — кластер из атомов железа и молибдена — похож на крошечный заводской цех. Химики давно пытаются понять, как этот цех устроен изнутри.

Все тела падают одинаково — это подметил ещё Галилей. Эйнштейн возвёл наблюдение в фундаментальный принцип эквивалентности: гравитация и ускорение неразличимы, из чего родилось искривлённое пространство-время.

В глубине криостата, под слоями сверхпроводящих катушек, лежит стопка из сотен полупроводниковых слоёв. Каждый слой толщиной в несколько нанометров: арсенид галлия, затем арсенид алюминия-галлия. Электроны внутри этих слоёв заперты в плоскости, как муравьи на листе бумаги.

На вершине холма классической физики частица застыла в неустойчивом равновесии. Малейший толчок — и она скатывается с нарастающей скоростью. В квантовой вселенной толчок не нужен: принцип неопределённости сам служит всепроникающим ветром, сдувающим частицу с пика. Нулевые колебания не терпят покоя, обрекая состояние на распад.

Среди фундаментальных симметрий природы зеркальная чётность занимает особое место. Стандартная модель уже знает одно её нарушение — в слабом взаимодействии, но гипотетические дальнодействующие силы, не сохраняющие левое и правое, могли бы многое рассказать о тёмной материи.