Исследователи из компании Quantinuum и Университета Фрайбурга продемонстрировали преимущество квантовых компьютеров над традиционными суперкомпьютерами в расчётах столкновений элементарных частиц. Их совместное исследование показало, что квантовые методы интеграции превосходят классические подходы при вычислении «сечений взаимодействия» – параметров, описывающих рассеяние частиц в экспериментах, подобных тем, что проводятся на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе.

В основе исследования лежит разработанный учёными квантовый алгоритм, использующий технику квантовой интеграции методом Монте-Карло (QMCI). Этот метод является квантовым аналогом классических методов Монте-Карло, но обеспечивает квадратичное ускорение вычислений. На практике это означает, что для достижения той же точности квантовому компьютеру требуется значительно меньше выборок, чем классическому.

Исследователи Ифан Уильямс из Quantinuum и Матьё Пеллен из Университета Фрайбурга применили особый вариант алгоритма QMCI, основанный на преобразовании Фурье. Этот подход позволяет представить сложные функции в виде суммы синусоидальных и косинусоидальных членов, что существенно упрощает вычисления.

По оценкам специалистов, теоретические расчёты для экспериментов на БАК ежегодно потребляют около 10 миллиардов процессорных часов, причём 15-25% этого времени уходит на теоретические предсказания. Даже 10-процентное сокращение этих затрат может привести к значительной экономии ресурсов.

Однако исследователи отмечают, что современное квантовое оборудование пока что не готово к полномасштабным вычислениям. Существующие квантовые компьютеры промежуточного масштаба (NISQ) не обладают достаточной мощностью для выполнения этих алгоритмов в требуемом объёме. Даже для относительно простых расчётов может потребоваться миллионы квантовых операций и количество кубитов, превышающее возможности современных устройств.

Тем не менее, по мере развития отказоустойчивых квантовых компьютеров эти ограничения могут быть преодолены. Исследователи видят потенциал применения квантовых вычислений не только в физике частиц, но и в других областях, требующих сложных интегральных вычислений – от финансового моделирования до прогнозирования погоды.