Сможет ли квантовый компьютер заменить Большой Адронный Коллайдер? - «Наука и технологии»

Группа исследователей из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли использовала один из существующих квантовых компьютеров для успешного проведения моделирования процессов, происходящих при столкновениях элементарных частиц. Другими словами, в недрах квантового компьютера рассчитывалось то, что обычно происходит во время высокоэнергетических физических экспериментов, которые проводятся, к примеру, на Большом Адронном Коллайдере, самом большом и мощном ускорителе частиц.

Для проведения такого моделирования исследователям пришлось разработать алгоритм квантового моделирования "душа вторичных частиц и излучения". Этот "душ" представляет собой сложный пакет, состоящий из вторичных частиц, импульсов излучений разного типа и других вещей, порождаемых в ходе последовательных процессов распада первичных и вторичных частиц.

На свете существуют и классические алгоритмы для моделирования подобных вещей, такие, как цепи Маркова из алгоритмов Монте-Карло, которые моделируют несколько квантовых эффектов. Но в процессе формирования "душа частиц" принимают участие и некоторые другие квантовые эффекты, практически не поддающиеся моделированию на классическом компьютере. Поэтому модели, рассчитанные на классических компьютерах, всегда будут достаточно далеки от реального положения дел.

Однако, и у модели, предназначенной для выполнения на квантовом компьютере, имелся целый ряд своих ограничений и допущений. Несмотря на то, что в эту модель удалось поместить практически все виды известных квантовых эффектов, она была построена на базе сильно упрощенных теорий для того, чтобы ее можно было рассчитать на одном из существующих квантовых компьютеров.

Вычисления квантовой модели были проведены при помощи системы IBM Q, построенной на базе квантового 20-кубитного процессора Johannesburg. Квантовый алгоритм был преобразован в схему соединений кубитов, которая была разбита на 4 этапа, расчетами каждого из которых занималось по 5 кубитов. Квантовый компьютер вычислил параллельно все возможные варианты формирования "душа вторичных частиц" и по определенным критериям выбрал из всех вариантов один самых подходящий.

К сожалению, результаты расчетов одной и той же задачи, полученные при помощи реального квантового компьютера и квантового эмулятора, запущенного на обычном компьютере, сильно отличались друг от друга. Ученые объясняют это тем, что для точного и эффективного расчета квантовой модели требуется не 20, а 48 кубитов. Кроме этого, различия результатов могут быть объяснены наличием шумов, помех и ошибок в реальном квантовом компьютере, которые отсутствуют как класс в квантовом эмуляторе.

"Квантовым компьютерам потребуется гораздо большее количество кубитов, обеспечивающих низкий уровень шумов и помех, для того, чтобы выдать действительно значимые результаты расчетов моделей, подобных построенной нами" - пишут исследователи, - "К сожалению, такие квантовые вычислительные системы вряд ли появятся в течение нескольких лет. Но, с учетом нынешних темпов развития квантовых технологий, можно ожидать, что через десятилетие-два-три квантовые вычислительные системы сделают ненужным сооружение таких установок, как Большой Адронный Коллайдер, коллайдер тяжелых ионов и других научных "монстров"".