Квантовый компьютер впервые смоделировал превращение вакуума в материю

Немецкие и австрийские ученые впервые осуществили моделирование процесса превращения поля в вещество (элементарные частицы)

Физики из Университета Иннсбрука (Австрия) и Технического университета Мюнхена (Германия) впервые использовали квантовый вычислитель для моделирования физики высоких энергий. С помощью четырехкубитного квантового компьютера авторы выяснили закономерности рождения электрон-позитронных пар из-за флуктуаций вакуума. Исследование опубликовано в журнале Nature, кратко о нем сообщает редакционная заметка журнала.

Ученые моделировали процесс, предсказанный квантовой электродинамикой — превращение энергии электрического поля в вакууме в материю. В результате этого образуются пары частица-античастица: электроны и позитроны. Уравнения квантовой электродинамики, описывающие этот процесс, в общем случае не решаются, однако существует несколько их упрощений, в рамках которых есть возможность вычислить вероятность рождения пар.

В качестве вычислителя физики использовали квантовый компьютер, роль кубитов в котором выполняли четыре иона, захваченные в оптическую ловушку. У каждого из этих ионов есть определенный спин — квантовая характеристика, собственный момент вращения. Эти моменты взаимодействуют между собой определенным образом, поэтому изменяя состояния одного иона мы влияем и на другие частицы — такие заранее предсказуемые изменения состояний можно рассматривать как вычисления.

Таким образом, можно задать программу для моделирования рождения пары частица-античастица в виде определенной последовательности изменений спинов. В эксперименте для этого используются строго определенные импульсы лазера. «Программа» написанная авторами включала в себя 100 шагов вычислений — миллисекундных импульсов лазера. После ее окончания ученые считывали состояния ионов — они и были результатами вычислений. Половина ионов относилась к состоянию электрона, половина — к состоянию позитрона.