Чи зможе квантовий комп’ютер замінити Великий Адронний Коллайдер?

Група дослідників з Національної лабораторії імені Лоуренса в Берклі використовувала один з існуючих квантових комп’ютерів для успішного проведення моделювання процесів, що відбуваються при зіткненнях елементарних частинок. Іншими словами, в надрах квантового комп’ютера розраховувалося те, що зазвичай відбувається під час високоенергетичних фізичних експериментів, які проводяться, наприклад, на Великому адронному колайдері, найбільшому і найпотужнішому прискорювачі часток.

Для проведення такого моделювання дослідникам довелося розробити алгоритм квантового моделювання «душа вторинних частинок і випромінювання». Цей «душ» являє собою складний пакет, що складається з вторинних частинок, імпульсів випромінювань різного типу і інших речей, породжуваних в ході послідовних процесів розпаду первинних і вторинних частинок.

На світі існують і класичні алгоритми для моделювання подібних речей, такі, як ланцюга Маркова з алгоритмів Монте-Карло, які моделюють кілька квантових ефектів. Але в процесі формування «душа частинок» беруть участь і деякі інші квантові ефекти, практично не піддаються моделюванню на класичному комп’ютері. Тому моделі, розраховані на класичних комп’ютерах, завжди будуть досить далекі від реального стану справ.

Однак, і у моделі, призначеної для виконання на квантовому комп’ютері, був цілий ряд своїх обмежень і припущень. Незважаючи на те, що в цю модель вдалося помістити практично всі види відомих квантових ефектів, вона була побудована на базі сильно спрощених теорій для того, щоб її можна було розрахувати на одному з існуючих квантових комп’ютерів.

Обчислення квантової моделі були проведені за допомогою системи IBM Q, побудованої на базі квантового 20-кубітного процесора Johannesburg. Квантовий алгоритм був перетворений в схему з’єднань кубітів, яка була розбита на 4 етапи, розрахунками кожного з яких займалося по 5 кубітів. Квантовий комп’ютер обчислив паралельно всі можливі варіанти формування «душа вторинних частинок» і за певними критеріями вибрав з усіх варіантів один найбільш підходящий.

На жаль, результати розрахунків однією і тією ж завдання, отримані за допомогою реального квантового комп’ютера і квантового емулятора, запущеного на звичайному комп’ютері, сильно відрізнялися один від одного. Вчені пояснюють це тим, що для точного і ефективного розрахунку квантової моделі потрібно не 20, а 48 кубітів. Крім цього, відмінності результатів можуть бути пояснені наявністю шумів, перешкод і помилок в реальному квантовому комп’ютері, які відсутні як клас в квантовому емуляторі.

«Квантовим комп’ютерів буде потрібно набагато більшу кількість кубітів, що забезпечують низький рівень шумів і перешкод, для того, щоб видати дійсно значущі результати розрахунків моделей, подібних побудованої нами» — пишуть дослідники, — «На жаль, такі квантові обчислювальні системи навряд чи з’являться протягом декількох років. Але, з урахуванням нинішніх темпів розвитку квантових технологій, можна очікувати, що через десятиліття-два-три квантові обчислювальні системи зроблять непотрібним спорудження таких установок, як Великий Адронний коллайдер, коллайдер важких іонів та інших наукових «монстрів» «.