Квантовые компьютеры повышают точность ядерного моделирования
Моделирование квантовых систем многих тел — это важная задача в ядерной физике и физике высоких энергий. Такие системы включают большое количество взаимодействующих частиц. Они подчиняются законам квантовой механики. Поэтому их моделирование гораздо сложнее, чем простых систем из двух частиц. Классические компьютеры с трудом справляются с этой сложностью. Но квантовые компьютеры** открывают новые возможности для таких расчетов. Недавно разработанная методология количественной оценки неопределенностей значительно расширяет предсказательные возможности аналоговых квантовых симуляций.
Проблема моделирования квантовых систем
Квантовые системы многих тел лежат в основе понимания свойств атомных ядер и экзотической материи. Например, такой материи, которая существовала в ранней Вселенной или образуется при столкновениях в ускорителях частиц. Однако решение уравнений, описывающих эти системы, требует огромных вычислительных ресурсов. Часто это выходит за рамки возможностей даже самых мощных суперкомпьютеров.
Аналоговые квантовые симуляторы – специализированные квантовые устройства – дают надежду на решение этой проблемы. Они используют управляемые квантовые системы (например, атомы или ионы в ловушках) для имитации других, более сложных квантовых систем. Но у этих симуляторов есть недостаток: они подвержены ошибкам из-за шума и неидеального контроля. Это вносит неопределенность в результаты моделирования.
Новый подход к оценке неопределенности
Чтобы повысить надежность аналоговых симуляторов, ученые из Исследовательского центра Юлиха (Германия), Вашингтонского университета (США), TRIUMF (Канада) и других институтов разработали новую методику. Она позволяет строго оценивать неопределенности в результатах квантового моделирования.
Этот подход основан на Байесовском выводе. Методология объединяет:
- Предварительные знания о квантовом симуляторе (его параметрах и источниках ошибок).
- Экспериментальные данные, полученные непосредственно в ходе симуляции.
Такой синтез позволяет не только получить предсказание моделируемой системы, но и количественно оценить достоверность этого предсказания. Ученые могут точно сказать, насколько можно доверять результату, учитывая все известные источники ошибок.
Проверка на модели Швингера
Исследователи протестировали свою методику на примере моделирования модели Швингера. Это упрощенная версия квантовой электродинамики (теории, описывающей взаимодействие света и материи) в одном пространственном измерении. Хотя модель проще реального мира, она сохраняет ключевые особенности квантовой теории поля, такие как рождение пар частица-античастица из вакуума.
Моделирование проводилось на аналоговом квантовом симуляторе на основе захваченных ионов. Команда смогла успешно воспроизвести динамику рождения пар и оценить соответствующие неопределенности с помощью своей Байесовской методики.
“Наша работа показывает, как извлечь максимум информации из данных квантового моделирования,” – объясняют исследователи. “Мы можем учесть все известные источники экспериментальных ошибок и систематических неопределенностей.” В итоге, это позволяет делать надежные выводы о поведении сложных квантовых систем.
Значение для науки и технологий
Разработанная методология делает аналоговые симуляторы более мощным и надежным инструментом. Это важный шаг на пути к использованию **квантовых компьютеров** для решения фундаментальных задач физики. Например, для точного расчета свойств атомных ядер или исследования фазовых диаграмм квантовой хромодинамики (теории сильного взаимодействия).
Кроме того, этот подход может быть применен и в других областях. Например, в материаловедении или квантовой химии, где также актуально моделирование сложных квантовых систем. Умение точно оценивать неопределенности критически важно для доверия к результатам, полученным на пока еще несовершенных **квантовых компьютерах** ближайшего будущего. Это открывает путь к более точным и надежным предсказаниям, ускоряя научные открытия.