В новом исследовании, опубликованном в журнале Scientific Reports, ученые успешно смоделировали создание частиц в расширяющейся Вселенной с помощью передовых квантовых компьютеров IBM. Это достижение знаменует собой значительный шаг в использовании цифрового квантового моделирования для изучения сложных космологических явлений.
Ученые давно пытаются создать всеобъемлющую квантовую теорию гравитации, но сталкиваются с многочисленными трудностями. Однако альтернативный подход, известный как квантовая теория поля в искривленном пространстве-времени (QFTCS), предлагает ценные идеи. QFTCS рассматривает пространство-время как классический фон, управляемый общей теорией относительности, в то время как материя и силовые поля в нем рассматриваются как квантовые системы. Эта гибридная система позволяет физикам изучать квантовые эффекты в динамических, искривленных пространствах, не нуждаясь в полной теории квантовой гравитации.
«Я считаю, что квантовые компьютеры имеют многообещающее будущее для развития исследований в области физики», — сказал в своем недавнем заявлении Марко Диас Македа, ведущий автор исследования и аспирант Мадридского автономного университета, - Это исследование представляет собой захватывающее пересечение этих двух областей, что делает его естественным и вдохновляющим выбором для меня».
Преодоление проблем квантовых компьютеров Современные квантовые компьютеры работают в так называемую «эру шумных квантов среднего масштаба» (NISQ). Эти устройства, несмотря на свою мощность, подвержены ошибкам из-за шума окружающей среды и ограниченного количества кубитов. Традиционные квантовые коды для исправления ошибок требуют большого количества кубитов, что делает их непрактичными для нынешнего оборудования. Вместо этого исследователи использовали методы устранения ошибок, чтобы повысить точность своих симуляций. «Мы использовали всего четыре кубита, по одному на каждое возможное состояние поля», — объясняет Македа.
«Но поскольку наша схема включала в себя большое количество квантовых вентилей, ошибки накапливались в процессе выполнения. Чтобы получить надежные результаты, мы применили методы устранения ошибок, которые помогли повысить точность наших вычислений».
В плоском пространстве-времени, известном как пространство Минковского, поведение квантового поля хорошо изучено. Однако, когда пространство искривляется или расширяется, как это было во время инфляционного периода ранней Вселенной, состояние вакуума может стать возбужденным, что приведет к созданию новых частиц. Чтобы смоделировать это явление, команда использовала метрику Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера (FLRW), которая описывает однородную и постоянно расширяющуюся Вселенную. Они использовали модификацию специального уравнения, называемого уравнением Клейна-Гордона, чтобы отразить эффекты искривленного пространства-времени.
Ключом к моделированию стало использование особых математических инструментов, которые связывают начальное и конечное состояния поля и помогают рассчитать количество созданных частиц.
«Первым шагом в разработке квантовой схемы было определение оператора временной эволюции системы», — говорит Македа. «Этого удалось достичь, связав начальное и конечное состояния с помощью преобразований Боголюбова».
Закодировав состояния квантового поля в кубиты и отобразив временную эволюцию системы на квантовые затворы, исследователи эффективно смоделировали создание частиц. Для уменьшения ошибок они также применили технику, называемую экстраполяцией с нулевым шумом (ZNE). ZNE включает в себя добавление контролируемого количества шума в систему, измерение его влияния и экстраполяцию назад для оценки безошибочных результатов. Последствия для будущих исследований Проведенное в рамках исследования моделирование успешно продемонстрировало создание частиц в расширяющейся Вселенной, причем результаты совпали с теоретическими предсказаниями. Несмотря на то, что шум остается проблемой, исследование показывает, что цифровые квантовые симуляции являются реальным инструментом для изучения сложных космологических процессов.
«Наша работа предоставляет новый способ моделирования создания частиц в ранней Вселенной, позволяя глубже понять фундаментальные процессы, формирующие космос», — отметил Македа.
Исследователи считают, что с развитием технологии квантовых компьютеров цифровые квантовые симуляции станут еще более мощным инструментом для изучения самых глубоких тайн Вселенной.
«Цифровые квантовые симуляции уже использовались моим наставником доктором Сабином для исследования таких тем, как гравитационная запутанность, испарение черных дыр и причинно-следственная структура Вселенной», — добавил Македа.