Квантова машина на времето: Учени надникнаха в люлката на Вселената с помощта на IBM

Група физици проведоха уникален експеримент на квантови компютри на IBM, моделирайки процеса на раждане на частици в разширяващата се Вселена. Резултатите от работата, публикувани в списание Scientific Reports, демонстрират възможностите на цифровото квантово моделиране на теорията на полето в изкривено пространство-време (QFTCS).

От много години учените се опитват да създадат теория, която да обедини квантовата механика и гравитацията.

Досега няма успех в тази посока, но физиците са намерили начин да изучават космическите явления и без нея. Те са разработили подход, при който пространството се подчинява на законите на теорията на относителността на Айнщайн, а всичко в него – на законите на квантовата механика. Методът вече е помогнал на физиците да теоретизират няколко важни явления. Сред тях – излъчването, излъчвано от черни дупки (лъчението на Хокинг) и появата на частици в разширяващата се Вселена. Оказа се обаче, че е трудно да се проверят предсказанията в реални експерименти. Досега можехме само частично да възпроизведем подобни условия в лабораторията (например в преохладени газове) кондензати на Бозе-Айнщайн, но сега квантовите компютри могат да спасят положението.

Квантовите компютри са в ранен етап от развитието си. Те имат три основни характеристики: много са чувствителни към смущения от околната среда, съдържат малък брой квантови битове (кюбити) и са ограничени от възможностите на съвременната технология. Въпреки това, дори такива несъвършени машини вече са способни да решават сложни оптимизационни задачи и да подпомагат машинното обучение.

За да се борят с грешките в квантовите изчисления, учените са разработили специални коригиращи кодове. Теоретично те работят много добре, но има една трудност: за да се създаде един надеждно защитен от смущения квантов бит е необходимо да се комбинират много обикновени кюбити. При съвременните компютри, където броят на кюбитите е само десетки или стотици този метод все още е нереалистичен, затова изследователите са намерили друго решение. Вместо да се опитват да елиминират напълно грешките, те решили да се научат да ги предвиждат. Като изучават как точно смущенията влияят на резултатите от изчисленията, физиците могат математически да определят какви биха били резултатите при идеални условия.

„Използвахме само четири кюбита – по един за всяко възможно състояние на полето. Въпреки това нашата схема съдържаше голям брой квантови врати, което доведе до натрупване на грешки по време на изпълнението. За да получим надеждни резултати, приложихме техники за намаляване на грешките, които помогнаха да се подобри точността на изчисленията.“

казва Марко Диас Македа, докторант в Автономния университет в Мадрид и водещ автор на изследването

Обикновено физиците изучават поведението на частиците в „плоско“ пространство на Минковски, но в разширяващата се Вселена важат други закони. Когато пространството се разтяга, дори в пълна празнота (физиците я наричат вакуум), спонтанно се появяват нови частици. Учените смятат, че именно този процес се е случил в ранната Вселена.

За да пресъздадат това явление, изследователите разработват математически модел на разширяващото се пространство-време, известен като метриката на Фридман-Лимитер-Робъртсън-Уокър. Те го използвали, за да опишат как се държи квантовото поле при разширяването на Вселената, и приложили специални трансформации на Боголюбов, за да преброят появяващите се частици.

Експериментът е проведен на квантов процесор IBM Eagle със 127 кюбита. Първо учените създават модел на „празна“ вселена – състояние, в което все още няма частици.

„Първо разработихме схема, която показва как системата трябва да се променя с времето. За тази цел свързахме началното и крайното състояние с помощта на специални математически трансформации“, обяснява Македа.

Изследователите намерили начин да преведат състоянията на квантовото поле на езика на кюбитите. Всеки кюбит отговарял за едно от четирите възможни енергийни нива на системата: отсъствие на частици, поява на частица в един от двата режима или и в двата едновременно.

Необходими са били стотици квантови операции, за да може кюбитите да взаимодействат правилно помежду си. За да се преборят с грешките, физиците разработили необичайна техника: те умишлено добавили смущения в системата, измерили ефекта им върху резултата и след това математически изчислили какви биха били резултатите без смущенията.

Моделирането потвърдило теоретичните прогнози за раждането на частиците в разширяващата се Вселена. Въпреки че резултатите бяха по-„шумни“, отколкото в теорията, самият експеримент доказа: такива сложни космологични процеси могат да се изучават на квантови компютри, а методът за контрол на грешките значително подобрил точността на резултатите.

Според екипа квантовите компютри се превръщат във все по-важен инструмент за изучаване на космоса. Македа заявява: „Д-р Сабин вече ги е използвал, за да изследва как гравитацията влияе на квантовото заплитане, как се изпаряват черните дупки и как работи причинно-следствената връзка във Вселената.“