Исследование под названием "Simulating particle creation in an expanding universe using quantum computers", опубликованное в журнале Scientific Reports, продемонстрировало цифровую квантовую симуляцию теории квантовых полей на нестационарном пространстве-времени (QFTCS). Этот полуклассический подход успешно описывает эффекты кривизны пространства-времени, оставаясь при этом в рамках квантовой механики для материи и силовых полей. Наблюдения эффектов наподобие излучения Хокинга и рождения частиц при расширении пространства долгое время были крайне сложной задачей, поэтому исследователи обратились к цифровым квантовым вычислениям, желая воспроизвести эти процессы в более управляемых условиях.
Исследователи уделили особое внимание эпохе NISQ, когда квантовые компьютеры ещё весьма уязвимы к шумам и имеют сравнительно небольшое число кубитов. Вместо громоздких квантовых кодов коррекции ошибок в работе применялись методы смягчения ошибок, среди которых особое место заняла техника нулевого шума (Zero-Noise Extrapolation). В результате удалось компенсировать возникающие искажения и приблизиться к теоретически идеальным результатам без сверхмасштабных аппаратных ресурсов.
Первая авторская работа принадлежит Марко Диасу Маседе из Университета Автонома де Мадрид, который отметил: «Я верю, что квантовые вычисления имеют многообещающее будущее в развитии физики... Это исследование представляет собой увлекательное пересечение этих двух областей, что стало для меня естественным и вдохновляющим выбором». По его словам, использование цифровых квантовых эмуляторов позволяет выходить за рамки чисто аналоговых экспериментов и обращается к более масштабируемым решениям для моделирования космологических явлений.
Рассматривалась ситуация, когда плоское (минковское) пространство заменяется расширяющимся, подобно тому, что описывается метрикой Фридмана – Леметра – Робертсона – Уокера (FLRW). Поскольку в расширяющейся Вселенной вакуумное состояние преобразуется в насыщенное, предсказывается спонтанное рождение частиц. Авторы выбрали массивное скалярное поле и свели задачу к модифицированному уравнению Клейна – Гордона, а затем использовали преобразования Боголюбова, чтобы количественно определить число рождающихся частиц.
Для реализации симуляции задействовали процессор "Eagle" от IBM с 127 кубитами, но фактическая модель сосредоточилась всего на четырёх кубитах. Исходное состояние моделировало вакуум, а возбуждённые уровни скалярного поля кодировались в отдельных кубитах. В цепочке квантовых вентилей учли уравнение эволюции во времени и преобразования Боголюбова, в результате чего требовалось задействовать сотни операций. Скопившиеся при этом ошибки заметно искажали картину, поэтому исследователи прибегли к методу Zero-Noise Extrapolation, искусственно увеличивая шум и затем экстраполируя полученные результаты к точке «нулевого шума».
Практические итоги показали, что даже при высоком уровне шума модель вполне способна подтверждать теоретические предсказания о рождении частиц при расширении Вселенной. При этом использование ZNE позволило существенно улучшить достоверность данных и продемонстрировало, что цифровая квантовая симуляция может воспроизводить космологические процессы, ранее недоступные прямой экспериментальной проверке.
По заявлениям авторов, такой подход способен пролить свет на ранние этапы существования Вселенной, когда растущее пространство играло важную роль в появлении материи. Работа также согласуется с результатами других цифровых квантовых симуляций доктора Сабина, которые касаются гравитационной запутанности, преобразований Риндлера, испарения чёрных дыр и причинной структуры пространства-времени.
Особенное значение здесь имеет доказанный факт, что цифровые квантовые вычисления, пусть пока и ограниченные рамками NISQ, уже могут быть применены для моделирования фундаментальных процессов космологии. Развитие подобных симуляций открывает путь к глубинному пониманию рождения частиц в кривом пространстве-времени, а также к более смелым исследованиям в сфере квантовой гравитации без необходимости ждать совершенствования больших исправляющих кодов.
Изображение носит иллюстративный характер
Исследователи уделили особое внимание эпохе NISQ, когда квантовые компьютеры ещё весьма уязвимы к шумам и имеют сравнительно небольшое число кубитов. Вместо громоздких квантовых кодов коррекции ошибок в работе применялись методы смягчения ошибок, среди которых особое место заняла техника нулевого шума (Zero-Noise Extrapolation). В результате удалось компенсировать возникающие искажения и приблизиться к теоретически идеальным результатам без сверхмасштабных аппаратных ресурсов.
Первая авторская работа принадлежит Марко Диасу Маседе из Университета Автонома де Мадрид, который отметил: «Я верю, что квантовые вычисления имеют многообещающее будущее в развитии физики... Это исследование представляет собой увлекательное пересечение этих двух областей, что стало для меня естественным и вдохновляющим выбором». По его словам, использование цифровых квантовых эмуляторов позволяет выходить за рамки чисто аналоговых экспериментов и обращается к более масштабируемым решениям для моделирования космологических явлений.
Рассматривалась ситуация, когда плоское (минковское) пространство заменяется расширяющимся, подобно тому, что описывается метрикой Фридмана – Леметра – Робертсона – Уокера (FLRW). Поскольку в расширяющейся Вселенной вакуумное состояние преобразуется в насыщенное, предсказывается спонтанное рождение частиц. Авторы выбрали массивное скалярное поле и свели задачу к модифицированному уравнению Клейна – Гордона, а затем использовали преобразования Боголюбова, чтобы количественно определить число рождающихся частиц.
Для реализации симуляции задействовали процессор "Eagle" от IBM с 127 кубитами, но фактическая модель сосредоточилась всего на четырёх кубитах. Исходное состояние моделировало вакуум, а возбуждённые уровни скалярного поля кодировались в отдельных кубитах. В цепочке квантовых вентилей учли уравнение эволюции во времени и преобразования Боголюбова, в результате чего требовалось задействовать сотни операций. Скопившиеся при этом ошибки заметно искажали картину, поэтому исследователи прибегли к методу Zero-Noise Extrapolation, искусственно увеличивая шум и затем экстраполируя полученные результаты к точке «нулевого шума».
Практические итоги показали, что даже при высоком уровне шума модель вполне способна подтверждать теоретические предсказания о рождении частиц при расширении Вселенной. При этом использование ZNE позволило существенно улучшить достоверность данных и продемонстрировало, что цифровая квантовая симуляция может воспроизводить космологические процессы, ранее недоступные прямой экспериментальной проверке.
По заявлениям авторов, такой подход способен пролить свет на ранние этапы существования Вселенной, когда растущее пространство играло важную роль в появлении материи. Работа также согласуется с результатами других цифровых квантовых симуляций доктора Сабина, которые касаются гравитационной запутанности, преобразований Риндлера, испарения чёрных дыр и причинной структуры пространства-времени.
Особенное значение здесь имеет доказанный факт, что цифровые квантовые вычисления, пусть пока и ограниченные рамками NISQ, уже могут быть применены для моделирования фундаментальных процессов космологии. Развитие подобных симуляций открывает путь к глубинному пониманию рождения частиц в кривом пространстве-времени, а также к более смелым исследованиям в сфере квантовой гравитации без необходимости ждать совершенствования больших исправляющих кодов.
