Квантовая машина времени: учёные заглянули в колыбель Вселенной с помощью IBM

Группа физиков провела уникальный эксперимент на квантовых компьютерах IBM, смоделировав процесс рождения частиц в расширяющейся Вселенной. Результаты работы, опубликованные в журнале Scientific Reports, демонстрируют возможности цифрового квантового моделирования теории поля в искривленном пространстве-времени (QFTCS).

Учёные много лет пытаются создать теорию, которая объединила бы квантовую механику и гравитацию. Пока это не удаётся, но физики нашли способ изучать космические явления и без неё. Они разработали подход, в котором пространство подчиняется законам теории относительности Эйнштейна, а всё, что находится внутри него - законам квантовой механики.

Метод уже помог физикам теоретически предсказать несколько важных явлений. Среди них - излучение, которое испускают чёрные дыры (излучение Хокинга), и появление частиц в расширяющейся Вселенной. Только вот проверить предсказания в реальных экспериментах оказалось сложно. До сих пор мы могли лишь частично воспроизводить похожие условия в лаборатории - например, в сверхохлаждённых газах - конденсатах Бозе-Эйнштейна. Но теперь квантовые компьютеры могут спасти положение.

Сейчас квантовые компьютеры находятся на ранней стадии развития. У них есть три главные особенности: они очень чувствительны к помехам из окружающей среды, содержат пока небольшое число квантовых битов (кубитов) и ограничены возможностями современной техники. При этом даже такие несовершенные машины уже способны решать сложные задачи оптимизации и помогать в машинном обучении.

Для борьбы с ошибками в квантовых вычислениях учёные разработали специальные коды коррекции. Теоретически они отлично работают, но есть сложность: чтобы создать один надёжно защищённый от помех квантовый бит, нужно объединить множество обычных кубитов. На современных компьютерах, где счёт кубитов идёт лишь на десятки или сотни, такой способ пока нереален.

Поэтому исследователи нашли другое решение. Вместо того чтобы пытаться полностью устранить ошибки, они решили научиться их предсказывать. Изучив, как именно помехи влияют на результаты вычислений, физики могут математически определить, какими были бы результаты в идеальных условиях.

"Мы использовали всего четыре кубита - по одному для каждого возможного состояния поля, - говорит Марко Диас Маседа, аспирант Автономного университета Мадрида и ведущий автор исследования. - Однако наша схема содержала большое количество квантовых вентилей, из-за чего ошибки накапливались в процессе выполнения. Чтобы получить надёжные результаты, мы применили методы смягчения ошибок, которые помогли повысить точность вычислений".

Обычно физики изучают поведение частиц в "плоском" пространстве Минковского. Но в расширяющейся Вселенной действуют другие законы. Когда пространство растягивается, даже в полной пустоте (физики называют её вакуумом) спонтанно появляются новые частицы. По мнению учёных, именно этот процесс происходил на ранних этапах существования Вселенной.

Чтобы воссоздать это явление, исследователи разработали математическую модель расширяющегося пространства-времени, известную как метрика Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера. С её помощью они описали, как ведёт себя квантовое поле при расширении Вселенной, и применили специальные преобразования Боголюбова для подсчёта возникающих частиц.

Эксперимент провели на квантовом процессоре IBM Eagle со 127 кубитами. В начале учёные создали модель "пустой" Вселенной - состояния, в котором частиц ещё нет. "Сначала мы разработали схему, которая показывает, как должна меняться система со временем. Для этого мы связали начальное и конечное состояния с помощью специальных математических преобразований", - поясняет Маседа.

Исследователи нашли способ перевести состояния квантового поля на язык кубитов. Каждый кубит отвечал за один из четырёх возможных уровней энергии системы: отсутствие частиц, появление частицы в одном из двух режимов или в обоих сразу.

Чтобы заставить кубиты правильно взаимодействовать друг с другом, потребовались сотни квантовых операций. Для борьбы с ошибками физики придумали необычный приём: они специально добавляли в систему помехи, измеряли их влияние на результат, а затем математически вычисляли, какими были бы результаты без помех.

Моделирование подтвердило теоретические предсказания о рождении частиц в расширяющейся Вселенной. Хотя результаты оказались более "шумными", чем в теории, сам эксперимент доказал: такие сложные космологические процессы можно изучать на квантовых компьютерах. А метод борьбы с ошибками существенно улучшил точность результатов.

По мнению команды, квантовые компьютеры становятся всё более важным инструментом для изучения космоса. Маседа утверждает: "Доктор Сабин уже использовал их, чтобы исследовать, как гравитация влияет на квантовую запутанность, как испаряются чёрные дыры и как устроены причинно-следственные связи во Вселенной".