Новое исследование, опубликованное в Scientific Reports, моделирует рождение частиц в расширяющейся Вселенной с использованием квантовых компьютеров IBM, демонстрируя цифровое квантовое моделирование квантовой теории поля для искривленного пространства-времени (QFTCS).

Хотя попытки создать полную квантовую теорию гравитации не увенчались успехом, существует другой подход к исследованию и объяснению космологических событий.

QFTCS сохраняет пространство-время как классический фон, описываемый общей теорией относительности, при этом рассматривая материю и силовые поля внутри него квантово-механически. Это позволяет физикам изучать квантовые эффекты в «искривленном пространстве-времени» без необходимости иметь полную теорию квантовой гравитации.

Эта полуклассическая теория уже предсказала такие явления, как излучение Хокинга от черных дыр и рождение частиц в расширяющемся пространстве-времени. Однако эти предсказания было трудно проверить экспериментально.

Поэтому ученые использовали аналоговое квантовое моделирование, например, конденсат Бозе-Эйнштейна, для проверки этих явлений, оставив цифровое квантовое моделирование неисследованным.

Phys.org поговорил с первым автором исследования, Марко Диасом Маседой, аспирантом Автономного университета Мадрида.

«Я считаю, что квантовые вычисления имеют многообещающее будущее для продвижения исследований в области физики. Мне всегда нравилось изучать Вселенную и ее явления, поэтому меня естественным образом привлекли квантовые поля в искривленном пространстве-времени. Это исследование представляет собой захватывающее пересечение этих двух областей, что делает его естественным и вдохновляющим выбором для меня», — сказал Маседа.

Уменьшение ошибок против исправления ошибок

В нынешнюю эпоху «шумных квантовых вычислений среднего масштаба» (NISQ) квантовые компьютеры обладают тремя основными характеристиками. Сюда входит шум, то есть кубиты и квантовые вентили восприимчивы к шуму окружающей среды, а эти устройства примерно имеют десятки или несколько сотен кубитов.

Хотя эти устройства являются мощными и могут использоваться для решения таких задач, как оптимизация и машинное обучение, у них есть серьезное узкое место — аппаратное обеспечение.

Было показано, что квантовые коды коррекции ошибок (QECC) работают теоретически, но их трудно реализовать. Для создания одного логического кубита им требуется много физических кубитов.

Это требование к накладным расходам делает нецелесообразным внедрение QECC на современных квантовых компьютерах, имеющих лишь десятки или сотни физических кубитов.

В настоящем исследовании исследователи преодолевают это, предлагая смягчение ошибок вместо исправления ошибок . Идея этого заключается в том, чтобы понять, как ошибки системы масштабируются с шумом.

Поняв это, исследователи могут работать в обратном направлении, чтобы оценить безошибочный результат.

Маседа объяснил важность этой техники в отношении исследования: «Мы использовали только четыре кубита, по одному для каждого возможного состояния поля. Однако, поскольку наша схема включала большое количество квантовых вентилей, ошибки накапливались на протяжении всего выполнения. Чтобы получить надежные результаты, мы применили методы смягчения ошибок, которые помогли повысить точность наших вычислений».

Создание частиц

В КТП предполагается плоское пространство-время, известное как «пространство Минковского». Однако когда пространство-время искривляется или становится динамичным (как в расширяющейся Вселенной), физика меняется.

По мере того, как пространство-время растягивается или расширяется (во время инфляции), состояние вакуума (или состояние нулевой энергии) становится возбужденным в этом новом пространстве-времени, что приводит к созданию новых частиц. Считается, что этот процесс создания частиц произошел в ранней Вселенной.

Для моделирования этого процесса исследователи выбрали метрику вселенной Фридмана-Лемэтра-Робертсона-Уокера (FLRW) для описания пространства-времени. Эта метрика описывает, как пространство-время расширяется однородно и изотропно.

В качестве квантового поля они рассматривают массивное скалярное поле, которое эволюционирует в соответствии с модифицированным уравнением Клейна-Гордона, учитывающим искривленное расширяющееся пространство-время.

Наконец, для описания процесса создания частиц исследователи использовали преобразования Боголюбова. Эти преобразования дают исследователям возможность рассчитать, сколько частиц будет создано при изменении пространства-времени, т. е. начальных и конечных состояний.

Реализация квантовой схемы

Исследователи разработали квантовую схему для моделирования этого процесса с использованием 127-кубитного процессора Eagle компании IBM.

Первоначальное состояние Вселенной было задумано так, чтобы она начиналась в состоянии вакуума или состоянии «нулевой энергии», с ограничением в одно возбуждение на моду.

После этого исследователи реализовали квантовую схему для процесса создания частиц.

Маседа объяснил процесс проектирования квантовой схемы, сказав: «Первым шагом в проектировании квантовой схемы было определение оператора временной эволюции системы. Это было достигнуто путем связывания начального и конечного состояний посредством преобразований Боголюбова».

Этот шаг позволил им подсчитать количество частиц, созданных в ходе процесса.

Маседа продолжил: «Установив эту связь, мы присвоили возбужденные состояния скалярного поля определенным кубитам в квантовом компьютере».

Исследователи закодировали состояния квантового поля в реальных физических кубитах, каждый из которых соответствовал четырем уровням возбуждения системы. Это включало основное состояние, одно возбуждение в положительном и отрицательном режимах и одно в обоих режимах.

«Наконец, применяя методы, разработанные моим наставником доктором Сабином, мы сопоставили оператор эволюции времени с унитарными операциями, действующими на эти кубиты, гарантируя, что их эволюция точно отражает динамику скалярного поля в расширяющейся Вселенной», — сказал Маседа.

Чтобы добиться отображения оператора временной эволюции в унитарные операторы, которые могут действовать на кубиты, исследователи использовали сотни квантовых вентилей.

Для смягчения ошибок исследователи применили «экстраполяцию с нулевым шумом» (ZNE). Этот метод работает путем намеренного добавления шума в систему контролируемым образом, измерения того, как шум влияет на результаты, а затем экстраполяции обратно к состоянию с нулевым шумом.

Реальный инструмент для будущих исследований

Моделирование успешно продемонстрировало создание частиц в расширяющемся пространстве-времени , с результатами, соответствующими теоретическим предсказаниям. Хотя результаты квантового компьютера показали более высокий уровень шума, он продемонстрировал осуществимость.

Кроме того, методы ZNE значительно улучшили результаты, продемонстрировав жизнеспособность использования квантового моделирования для изучения сложных систем.

Объясняя влияние своей работы на космологию, Маседа сказал: «Наша работа открывает новый способ моделирования создания частиц в ранней Вселенной, предлагая более глубокое понимание фундаментальных процессов, формирующих космос».

Исследователи также полагают, что цифровое квантовое моделирование уже становится и будет продолжать становиться эффективным инструментом для исследования космологических явлений.

«Цифровое квантовое моделирование уже использовалось моим наставником доктором Сабином для исследования таких тем, как гравитационная запутанность, преобразования Риндлера, объясняющие испарение черных дыр, и причинно-следственная структура Вселенной», — прокомментировал Маседа.