25 апреля 2022

Квантовый компьютер IBM Q справился с моделированием процессов, происходящих при столкновениях двух протонов в коллайдере

Ученые-физики из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, используя квантовый компьютер IBM Q, произвели расчеты моделей процессов, происходящих при столкновениях двух протонов, подобных столкновениям, производимых в туннелях Большого Адронного Коллайдера. А результатом вычислений этой модели являются численные значения вероятностей того, что в результате столкновения образуется вторичная элементарная частица определенного типа.

Основой модели стала так называемая эффективная теория поля (effective field theory), которая была разложена на некоторые компоненты. Одни компоненты этой теории были воплощены в виде квантовых алгоритмов, способных быть рассчитанными на квантовом компьютере. Другие же компоненты этой теории не поддались "квантовизации" и они были реализованы в виде обычных алгоритмов, рассчитываемых на классических компьютерах.

"Мы показали, что такой подход работает в принципе. Более того, за счет использования квантового компьютера полученные нами результаты оказались очень близки к показателям физических процессов, происходящих в коллайдере" - пишут исследователи.

Одной из трудностей, с которыми пришлось столкнуться исследователям, стала необходимость описания и учета параметров процессов в очень большом диапазоне энергий, от самых низкоэнергетических да самых высокоэнергетических частиц, попадающих в виртуальный датчик математической модели.

Конечно, все это было можно выполнить только при помощи квантового компьютера, но для этого требуется такое количество кубитов, которое находится далеко за пределами возможностей современных квантовых вычислительных систем. Все эти же задачи можно было выполнить и на классических вычислительных системах, используя итерации, но вычисления такого вида полностью игнорируют квантовые эффекты, играющие в процессах одну из главных ролей. Поэтому вся теория и была разбита на части, подходящие для вычислений на квантовых или традиционных компьютерах.

Еще одним аспектом, определившим успех проведенного моделирования, стала новая технология уменьшения шума, детектирования и коррекции ошибок, неизбежно возникающих при квантовых вычислениях. Дальнейшее совершенствование этих методов и технологий позволит получать максимально достоверные результаты и проводить абсолютно все вычисления только при помощи квантового компьютера.

"Сейчас у используемого нами квантового компьютера IBM Q имеется 100 доступных кубитов" - пишут исследователи, - "В скором времени мы начнем дробить нашу модель на более мелкие части и заставим ее работать с большим количеством измерений. После этого мы сможем поэтапно провести полностью все моделирование только на квантовом компьютере и получить результаты, которые невозможно получить с учетом использования классических компьютеров".

В конце концов исследователи планируют достичь такого уровня моделирования, когда все моделируемые процессы будут максимально приближены к физическим процессам, происходящим естественным или искусственным путем. И если это получится сделать, то для дальнейших исследований в области ядерной физики и более глубокого проникновения в тайны мироздания больше не потребуется возведения таких монструозных научных установок, как Большой Адронный Коллайдер. Для всего этого будет нужен лишь квантовый компьютер достаточной мощности и соответствующее программное обеспечение.