Фундаментальные частицы, из которых состоит наша Вселенная, можно разделить на две группы: фермионы и бозоны. Первые формируют материю, вторые обеспечивают взаимодействие фермионов. В последнее время ученые разработали квантовые алгоритмы для вычисления систем, состоящих из фермионов. Но сделать то же для бозонов оказалось намного труднее, пишет Phys.org.

Впервые ученые лаборатории Ферми нашли способ смоделировать систему, состоящую как и фермионов, так и из бозонов на квантовом компьютере общего назначения.

Это открывает путь к созданию реалистичных симуляций субатомного мира.

«Представление бозонов в квантовых вычислениях никогда не исследовалось в научной литературе в достаточной мере, — говорит Александру Макридин, руководитель проекта. — Наш метод работает, и лучше, чем мы ожидали».

Самая сложная проблема в моделировании бозонов связана со свойствами квантовых битов. У кубитов есть два состояния, ноль и единица, так же, как и у фермиона — занятые и незанятые. Поэтому определить число кубитов, необходимое для моделирования фермионного процесса на квантовом компьютере, легко.

Бозоны — другое дело. Их состояния могут быть переменно заняты, и привязать их к кубитам трудно. Для точного представления одного бозона требуется значительное число кубитов, по некоторым подсчетам — миллионы.

Команда Макридина решила переплавить бозонную систему в нечто иное, более знакомое физикам — генератор гармоник. Они широко представлены в природе и тщательно изучены, что позволяет создать их точную модель. Ученые нашли способ представить генератор гармоник на квантовом компьютере, соединив эту систему с кубитами.

Такой подход позволил обойтись небольшим количеством кубитов для моделирования множества бозонов По оценкам Маридина, шести кубитов на бозонное состояние достаточно, чтобы приступить к изучению интересных физических проблем.

Впервые распад частиц бозона Хиггса до нижних кварков удалось наблюдать физикам ЦЕРН в прошлом году. Они измерили коэффициент распада и установили, что он удовлетворяет Стандартной модели.