Симулиране на невъзможното: Квантов алгоритъм разкрива тайните на звездните експлозии

Група физици от Националната лаборатория „Лорънс Ливърмор“, центъра InQubator за квантови симулации и Университета в Тренто са създали квантов алгоритъм за моделиране на един от най-важните процеси във Вселената – разсейването. Резултатите от изследването са публикувани в авторитетното научно списание Physical Review C.

Разсейването е физическо явление, което се среща както в космически мащаби, така и в микрокосмоса.

То може да се наблюдава навсякъде: когато се сблъскват билярдни топки, когато атомните ядра взаимодействат във вътрешността на звездите, за да създадат тежки елементи, и дори когато звуковите вълни променят траекторията си поради сблъсъци с молекулите на въздуха.

„Като изучаваме процесите на разсейване, можем да получим по-дълбоко разбиране за природата на фундаменталните частици и за това как те си взаимодействат помежду си. Наблюдавайки какво се случва при сблъсъците в материята – независимо дали става въпрос за твърди тела, атоми, молекули или ядра, ние разкриваме тайните на микроскопичната структура на материята.“

обяснява София Куальони, изследовател от лабораторията Ливърмор

Учените са се фокусирали върху един специален вид взаимодействие – нерелативисткото еластично разсейване. В този случай обектът се движи много по-бавно от скоростта на светлината и сблъсквайки се с неподвижна цел, отскача от нея, запазвайки цялата си енергия.

Колкото повече обекти участват във взаимодействието, толкова по-трудно е да се изчисли: необходимите изчислителни ресурси нарастват експоненциално. Конвенционалните компютри не могат да се справят с такива задачи, но квантовите системи могат да обработват много по-големи количества данни.

„Квантовите компютри са идеални за проследяване на това как една система от два обекта се развива във времето.“

обяснява Куальони

Нейният колега Кайл Уендт добавя:

„За да симулираме с класически суперкомпютър ядрените процеси, които се случват при експлозията на звездите, ще ни е необходима машина с размерите на Луната.“

Новият алгоритъм анализира началната позиция на системата – моментът, в който движещ се обект се приближава към неподвижна цел и данните за възможното им взаимодействие. След това програмата възпроизвежда целия процес на сблъсък стъпка по стъпка. На всяка стъпка алгоритъмът използва два ключови инструмента: специален детектор и така наречения „вариационен метод“. Детекторът проследява как се променя състоянието на системата след сблъсъка, а вариационният метод позволява да се определи точно с колко се е изместила вълната на частицата.

В квантовата механика всички обекти проявяват вълнови свойства – това е един от основните принципи на микрокосмоса.

Всяка частица може да се разглежда като вълна, която има определена фаза – т.е. намира се в определена точка от цикъла си на трептене. Когато настъпи сблъсък, фазата се променя, сякаш вълната се „препъва“ в препятствие. Размерът на изместването носи важна информация за това как точно е станало взаимодействието.

За да измери изместването, алгоритъмът използва гениален подход. Той създава специална референтна вълна-детектор и започва да променя нейните характеристики: амплитуда, честота, фаза. Това е подобно на начина, по който се настройва музикален инструмент. Когато параметрите на вълновия детектор съвпаднат точно с параметрите на вълната на изследваната система, компютърът ще може да определи с колко точно се е изместила фазата по време на сблъсъка. А знаейки това, физиците могат да възстановят цялата картина на взаимодействието на частиците.

Най-напред работата на програмата беше тествана на класически компютър. Убеждавайки се в нейната надеждност, екипът стартира изчисления на квантови процесори IBM.

Според създателите на разработката тя има две основни предимства. Първо, тя не се страхува от технически повреди на квантовото оборудване. Второ, сложността на изчисленията нараства главно заради необходимостта да се следят промените в системата в реално време, а не заради особеностите на самия алгоритъм. Досега методът е тестван само върху най-простия случай – сблъсък на два обекта в идеални условия, но той вече може да бъде разработен за изследване на по-сложни процеси, с които не могат да се справят дори най-мощните класически суперкомпютри.