Науковці розгадали таємницю аномальних зоряних вибухів за допомогою квантових комп’ютерів

Міжнародна група фізиків створила революційний квантовий алгоритм для моделювання розсіяння частинок — процесу, що лежить в основі від зіткнень більярдних куль до ядерних реакцій у зірках. Дослідження, опубліковане в журналі Physical Review C, відкриває нові горизонти в розумінні фундаментальних взаємодій у Всесвіті.

Науковці з Національної лабораторії імені Лоуренса Лівермора, центру InQubator for Quantum Simulations і Університету Тренто зосередились на так званому нерелятивістському пружному розсіянні. Це явище відбувається, коли об'єкт рухається значно повільніше швидкості світла і після зіткнення з мішенню відскакує без втрати енергії. Проблема полягає в тому, що з кожною додатковою частинкою складність обчислень зростає експоненційно, робляше такі задачі практично нерозв’язними для звичайних комп’ютерів.

«Квантові комп’ютери ідеально підходять для відстеження еволюції системи з двох об'єктів у часі», — пояснює Софія Квагліоні з Ліверморської лабораторії. Її колега Кайл Вендт наводить вражаючу ілюстрацію проблеми: «Щоб змоделювати на класичному суперкомп’ютері ядерні процеси під час вибуху зірок, нам знадобилася б машина розміром з Місяць».

Розроблений алгоритм працює за принципом поступового відтворення процесу взаємодії, починаючи з аналізу початкового положення частинок. Ключова інновація полягає у використанні спеціального детектора та методу «варіаційного трюку», що дозволяє точно визначати зміни фази квантових хвиль при зіткненні. У квантовій механіці саме ці фазові зміщення несуть найважливішу інформацію про характер взаємодії.

Дослідники спершу протестували алгоритм на класичних комп’ютерах, а потім успішно запустили його на квантових процесорах IBM. Особливо цінними виявилися дві властивості нового методу: стійкість до помилок, що виникають у квантових системах, та можливість масштабування для моделювання складніших взаємодій, недосяжних навіть для найпотужніших сучасних суперкомп’ютерів.

Хоча наразі алгоритм перевірено лише на найпростішій моделі взаємодії двох частинок, його потенціал для науки величезний. У майбутньому ця технологія може допомогти розшифрувати складні процеси всередині зірок, пояснити утворення важких елементів у космосі та відкрити новий рівень розуміння фундаментальних законів, що керують Всесвітом на квантовому рівні.