Смоделировать невозможное: квантовый алгоритм раскрывает тайны звёздных взрывов

Группа физиков из Национальной лаборатории имени Лоуренса Ливермора, центра InQubator for Quantum Simulations и Университета Тренто создала квантовый алгоритм для моделирования одного из важнейших процессов во Вселенной — рассеяния. Результаты исследования опубликованы в авторитетном научном журнале Physical Review C.

Рассеяние — это физическое явление, которое происходит и в космических масштабах, и в микромире. Его можно наблюдать повсюду: когда сталкиваются бильярдные шары, когда в недрах звезд взаимодействуют атомные ядра, создавая тяжелые элементы, и даже когда звуковые волны меняют траекторию из-за столкновений с молекулами воздуха.

"Изучая процессы рассеяния, мы можем глубже понять природу фундаментальных частиц и то, как они взаимодействуют между собой, — объясняет София Кваглиони, научный сотрудник Ливерморской лаборатории. — Наблюдая за тем, что происходит при столкновениях в веществе — будь то твердые материалы, атомы, молекулы или ядра — мы раскрываем тайны микроскопического устройства материи".

Ученые сосредоточились на особом типе взаимодействий — нерелятивистском упругом рассеянии. В этом случае объект движется намного медленнее скорости света и, сталкиваясь с неподвижной мишенью, отскакивает от нее, сохраняя всю свою энергию.

Чем больше объектов участвует во взаимодействии, тем сложнее его рассчитать: необходимые вычислительные ресурсы растут в геометрической прогрессии. Обычные компьютеры не справляются с подобными задачами, но квантовые системы способны обработать гораздо больший объем данных.

"Квантовые компьютеры идеально подходят для того, чтобы проследить, как развивается во времени система из двух объектов", — поясняет Кваглиони. А ее коллега Кайл Вендт добавляет: "Чтобы смоделировать на классическом суперкомпьютере ядерные процессы, происходящие при взрыве звезд, нам понадобилась бы машина размером с Луну".

Новый алгоритм анализирует исходное положение системы — момент, когда движущийся объект приближается к неподвижной мишени — и данные об их возможном взаимодействии. Затем программа пошагово воспроизводит весь процесс столкновения. На каждом этапе алгоритм использует два ключевых инструмента: специальный детектор и так называемый “вариационный трюк”. Детектор отслеживает, как меняется состояние системы после столкновения. А вариационный метод позволяет точно определить, насколько сместилась волна частицы.

В квантовой механике все объекты проявляют волновые свойства — это один из фундаментальных принципов микромира. Любую частицу можно представить как волну, которая имеет определенную фазу — то есть находится в конкретной точке своего цикла колебаний. Когда происходит столкновение, фаза сдвигается, как будто волна "спотыкается" о препятствие. Величина сдвига несет важную информацию о том, как именно произошло взаимодействие.

Чтобы измерить сдвиг, алгоритм использует оригинальный подход. Он создает специальную контрольную волну-детектор и начинает последовательно менять ее характеристики: амплитуду, частоту, фазу. Это похоже на то, как настраивают музыкальный инструмент, подгоняя его звучание под эталон. Когда параметры волны-детектора в точности совпадут с параметрами волны исследуемой системы, компьютер сможет определить, насколько именно сместилась фаза при столкновении. А зная это, физики могут восстановить всю картину взаимодействия частиц.

Сначала работу программы проверили на классическом компьютере. Убедившись в её надежности, команда запустила расчеты на квантовых процессорах IBM.

У разработки, по словам создателей, два основных достоинства. Во-первых, она не боится технических сбоев квантового оборудования. Во-вторых, сложность вычислений растет в основном из-за необходимости отслеживать изменения системы в реальном времени, а не из-за особенностей самого алгоритма. Пока что метод опробован только на простейшем случае — столкновении двух объектов в идеальных условиях. Но его уже можно развивать для изучения более сложных процессов, с которыми не справляются даже самые мощные классические суперкомпьютеры.