Квантовый процессор на захваченных ионах показал, как частицы создают магнитные поля
Международная команда исследователей впервые провела квантовое моделирование двумерной решёточной квантовой электродинамики (КЭД) на кудитном процессоре. Результаты работы открывают новые возможности для изучения фундаментальных взаимодействий в физике элементарных частиц с помощью квантовых вычислений. Квантовые калибровочные теории, лежащие в основе Стандартной модели, описывают взаимодействие частиц через поля, такие как электромагнитное. Однако их симуляция остаётся сложной задачей из-за многомерной природы полей, которые не вписываются в бинарную логику классических и кубитных компьютеров. Решение предложили учёные, использовавшие кудиты — квантовые системы с пятью и более уровнями вместо традиционных двух. «Наш подход позволяет естественным образом представить квантовые поля, что делает вычисления значительно эффективнее», — подчеркнул Майкл Мет, ведущий автор исследования. Иллюстрация: Harald Ritsch Эксперимент проводился на ионном процессоре, где каждый кудит кодировал состояние калибровочного поля. Это устранило необходимость преобразовывать многомерные поля в последовательность кубитов, упростив схемы. Учёные реализовали вариационный квантовый решатель (VQE) для поиска основного состояния модели, включающей электроны, позитроны и фотоны. Впервые наблюдалось влияние динамической материи на квантованные магнитные поля, которые проявляются только в двумерных системах. Важным результатом стал анализ параметра, который показывает силу магнитного поля внутри минимальной ячейки системы. Оказалось, что его средние значения меняются в зависимости от силы взаимодействия между частицами. Это подтверждает концепцию «бегущей» константы — фундаментального правила, по которому взаимодействия усиливаются или ослабевают в разных условиях. Кроме того, учёные смогли гибко настраивать детализацию моделирования, переключаясь между квантовыми элементами с тремя и пятью состояниями, что повысило точность расчётов. Учёные также сделали первые шаги в симуляции динамики в реальном времени. Это позволило наблюдать рождение пар частица-античастица при резком изменении параметров модели. «Теперь мы видим не только движение частиц, но и магнитные поля между ними. Это приближает нас к изучению реальных физических процессов», — отметил Мартин Рингауэр, руководитель экспериментальной группы. Перспективы работы выходят за рамки КЭД. Увеличение числа кудитов позволит моделировать трёхмерные системы и сильное ядерное взаимодействие, остающееся одной из главных загадок физики. Важно, что кудитный подход совместим с методами квантовой коррекции ошибок, что критично для создания масштабируемых квантовых компьютеров. Исследование не только расширяет границы квантовых вычислений, но и предлагает инструменты для решения задач, недоступных классическим суперкомпьютерам. «Наш результат — важный шаг на пути к пониманию устройства Вселенной», — резюмирует Кристин Мушик, руководитель теоретической группы.
Международная команда исследователей впервые провела квантовое моделирование двумерной решёточной квантовой электродинамики (КЭД) на кудитном процессоре. Результаты работы открывают новые возможности для изучения фундаментальных взаимодействий в физике элементарных частиц с помощью квантовых вычислений.
Квантовые калибровочные теории, лежащие в основе Стандартной модели, описывают взаимодействие частиц через поля, такие как электромагнитное. Однако их симуляция остаётся сложной задачей из-за многомерной природы полей, которые не вписываются в бинарную логику классических и кубитных компьютеров. Решение предложили учёные, использовавшие кудиты — квантовые системы с пятью и более уровнями вместо традиционных двух.
«Наш подход позволяет естественным образом представить квантовые поля, что делает вычисления значительно эффективнее», — подчеркнул Майкл Мет, ведущий автор исследования. 
Эксперимент проводился на ионном процессоре, где каждый кудит кодировал состояние калибровочного поля. Это устранило необходимость преобразовывать многомерные поля в последовательность кубитов, упростив схемы. Учёные реализовали вариационный квантовый решатель (VQE) для поиска основного состояния модели, включающей электроны, позитроны и фотоны. Впервые наблюдалось влияние динамической материи на квантованные магнитные поля, которые проявляются только в двумерных системах.
Важным результатом стал анализ параметра, который показывает силу магнитного поля внутри минимальной ячейки системы. Оказалось, что его средние значения меняются в зависимости от силы взаимодействия между частицами. Это подтверждает концепцию «бегущей» константы — фундаментального правила, по которому взаимодействия усиливаются или ослабевают в разных условиях. Кроме того, учёные смогли гибко настраивать детализацию моделирования, переключаясь между квантовыми элементами с тремя и пятью состояниями, что повысило точность расчётов.
Учёные также сделали первые шаги в симуляции динамики в реальном времени. Это позволило наблюдать рождение пар частица-античастица при резком изменении параметров модели. «Теперь мы видим не только движение частиц, но и магнитные поля между ними. Это приближает нас к изучению реальных физических процессов», — отметил Мартин Рингауэр, руководитель экспериментальной группы.
Перспективы работы выходят за рамки КЭД. Увеличение числа кудитов позволит моделировать трёхмерные системы и сильное ядерное взаимодействие, остающееся одной из главных загадок физики. Важно, что кудитный подход совместим с методами квантовой коррекции ошибок, что критично для создания масштабируемых квантовых компьютеров.
Исследование не только расширяет границы квантовых вычислений, но и предлагает инструменты для решения задач, недоступных классическим суперкомпьютерам. «Наш результат — важный шаг на пути к пониманию устройства Вселенной», — резюмирует Кристин Мушик, руководитель теоретической группы.
_large.jpg)
