Международная команда исследователей впервые провела квантовое моделирование двумерной решёточной квантовой электродинамики (КЭД) на кудитном процессоре. Результаты работы открывают новые возможности для изучения фундаментальных взаимодействий в физике элементарных частиц с помощью квантовых вычислений.

Квантовые калибровочные теории, лежащие в основе Стандартной модели, описывают взаимодействие частиц через поля, такие как электромагнитное. Однако их симуляция остаётся сложной задачей из-за многомерной природы полей, которые не вписываются в бинарную логику классических и кубитных компьютеров. Решение предложили учёные, использовавшие кудиты — квантовые системы с пятью и более уровнями вместо традиционных двух.

«Наш подход позволяет естественным образом представить квантовые поля, что делает вычисления значительно эффективнее», — подчеркнул Майкл Мет, ведущий автор исследования.

Эксперимент проводился на ионном процессоре, где каждый кудит кодировал состояние калибровочного поля. Это устранило необходимость преобразовывать многомерные поля в последовательность кубитов, упростив схемы. Учёные реализовали вариационный квантовый решатель (VQE) для поиска основного состояния модели, включающей электроны, позитроны и фотоны. Впервые наблюдалось влияние динамической материи на квантованные магнитные поля, которые проявляются только в двумерных системах.

Важным результатом стал анализ параметра, который показывает силу магнитного поля внутри минимальной ячейки системы. Оказалось, что его средние значения меняются в зависимости от силы взаимодействия между частицами. Это подтверждает концепцию «бегущей» константы — фундаментального правила, по которому взаимодействия усиливаются или ослабевают в разных условиях. Кроме того, учёные смогли гибко настраивать детализацию моделирования, переключаясь между квантовыми элементами с тремя и пятью состояниями, что повысило точность расчётов.

Учёные также сделали первые шаги в симуляции динамики в реальном времени. Это позволило наблюдать рождение пар частица-античастица при резком изменении параметров модели. «Теперь мы видим не только движение частиц, но и магнитные поля между ними. Это приближает нас к изучению реальных физических процессов», — отметил Мартин Рингауэр, руководитель экспериментальной группы.

Перспективы работы выходят за рамки КЭД. Увеличение числа кудитов позволит моделировать трёхмерные системы и сильное ядерное взаимодействие, остающееся одной из главных загадок физики. Важно, что кудитный подход совместим с методами квантовой коррекции ошибок, что критично для создания масштабируемых квантовых компьютеров.

Исследование не только расширяет границы квантовых вычислений, но и предлагает инструменты для решения задач, недоступных классическим суперкомпьютерам. «Наш результат — важный шаг на пути к пониманию устройства Вселенной», — резюмирует Кристин Мушик, руководитель теоретической группы.