44 години по-късно мечтата на Файнман се сбъдва – квантовите компютри симулират раждането на Вселената

Физиците са все по-близо до предизвикателството, което Ричард Файнман определи още през 1981 г.: ако светът е структуриран в квантови условия, то той трябва да бъде моделиран с квантови средства. Известната му идея, че природата не е класическа и моделирането ѝ трябва да бъде квантово, сега се реализира в мащабен международен проект. Класическите компютри не могат да се справят с описанието на сложните процеси поради експоненциалното нарастване на изчислителните разходи при работа със заплетени състояния. Квантовите устройства, основани на принципите на суперпозицията и заплитането, имат потенциала да решат този проблем.

Неотдавнашни експерименти потвърдиха, че квантовите симулатори започват да изпълняват предназначението си. В Инсбрук (Австрия) групата на Мартин Рингбауер заедно с Кристин Мушик от Университета на Ватерло успя да възпроизведе участък от двумерно електромагнитно поле. Учените регистрирали квантово явление – зараждането и изчезването на двойки частици на фона на флуктуации. Въпреки че електродинамиката отдавна е добре проучена, целта на екипа е по-широка: практикувайки методите върху известни теории, те се стремят да стигнат до процеси, които са недостъпни за традиционните изчисления, като например състоянията на материята в екстремните условия на ранната Вселена.

Изследователите използват различни стратегии, за да се придвижат към тази цел. Някои от тях използват цифрови квантови компютри с кубити, които могат да бъдат в състояния 0 и 1 едновременно. Други се насочват към системи от кудити, които могат да съществуват в три или повече състояния. Този подход беше особено ефективен в Инсбрук: преобразуването на алгоритъма на Мушик от кубити в кудити намали броя на стъпките десет пъти и намали вероятността от грешки. Тяхната конфигурация се основава на йоните на калций-40, при които за кодиране на информацията се използват пет енергийни нива. Пет йона са били достатъчни, за да се симулира двуизмерен участък от полето: четири в ъглите и един в центъра. Дори в такъв минимален вариант е било възможно да се фиксират сигналите, съответстващи на пораждането и анихилацията на двойки частици.

Разработват се и аналогови симулатори. В тях една квантова система възпроизвежда поведението на друга без алгоритми тип „стъпка по стъпка“: учените просто наблюдават естествената еволюция на модела. През 2020 г. върху масив от 71 рубидиеви атома, охладени почти до абсолютната нула, беше изграден едноизмерен аналогов симулатор на квантова електродинамика. През 2024 г. в списание Nature физиците показаха как аналоговият симулатор възпроизвежда ефекта на разкъсване на струните, при който електрическото поле между частиците се „срива“ поради зараждането на нова двойка. Въпреки че подобни експерименти все още са ограничени по размерност и не обхващат всички динамични ефекти, те демонстрират потенциала на метода.

Квантовата хромодинамика, теория на силното взаимодействие, която обяснява как кварките и глюоните образуват протони и неутрони, се счита за основна цел на квантовите симулации. Тази област е изключително сложна и класическите изчисления бързо достигат своите граници. Учените се надяват, че именно квантовите компютри ще ни помогнат да разберем как се е държала материята в първите мигове от съществуването на Вселената, както и да ни предоставят ключове към създаването на нови материали, включително екзотични състояния като свръхпроводимост при стайна температура.

Вече са разработени алгоритми за моделиране на адронните сблъсъци на кюдити. При подобни процеси протоните и неутроните се разпадат в „супа“ от кварки и глюони и след това бързо се рекомбинират. Симулациите на тези събития могат да хвърлят светлина върху механизмите на раждане на адроните в ранната Вселена. Привържениците на аналоговия подход смятат, че той е най-подходящ за описание на многокварковите системи и явления като кварк-глуонната плазма. През декември 2024 г. група от Шънджън и Мюнхен възпроизвежда на рубидиев симулатор прехода между плазменото състояние на кварките и свързаното състояние на адроните.

Налице са и хибридни решения. През февруари 2025 г. на един от процесорите на Google е изпълнена симулация, съчетаваща цифрови и аналогови подходи. Тази комбинация дава едновременно гъвкавост на алгоритмите и естественост на еволюцията на модела.