Квантовый компьютер рассчитал структуру гидрида бериллия
С помощью квантового компьютера из семи кубитов американские физики из IBM рассчитали энергетические структуры нескольких химических молекул, в том числе и сложнейшую на данный момент для квантовых компьютеров структуру гидрида бериллия. Исследование опубликовано в Nature.
Квантово-химические расчеты и моделирование структуры химических молекул (пусть и самых простых) — та область, в которой квантовые компьютеры могут использоваться уже сейчас. При этом по скорости вычислений они уже могут превосходить традиционные численные методы, используемые для минимизации энергии при расчете гамильтониана, такие как, например, метод Монте-Карло. Трудности классических методов связаны либо с необходимостью точно решить задачу взаимодействия нескольких фермионов, либо с проблемой знака (для того, чтобы получить точное близкое к нулю значение, необходимо проинтегрировать очень быстро осциллирующую вокруг нуля функцию, на что большинству методов просто не хватает точности). К настоящему моменту с помощью квантовых компьютеров уже были рассчитаны структуры простейших соединений, состоящих, правда, пока только из элементов первого периода — водорода и гелия.
В своей новой работе физики из IBM с помощью квантового компьютера смоделировали энергетическую структуру двух- и трехатомных молекул, включающих в себя уже элементы второго периода. В том числе самую сложную на сегодняшний день структуру гидрида бериллия BeH2. Для этого были использованы сверхпроводниковый квантовый процессор и система из семи кубитов, связанных между собой сверхпроводниковыми резонаторами. Оптимизация этой компьютерной схемы позволила решить задачу для более ста членов разложения в уравнении Паули, необходимых для описания основного энергетического состояния фермионов. Предложенная исследователями архитектура состояла из трех основных блоков: с помощью первого блока были получены базовые оценки для основного энергетического состояния, второй блок отвечал за кодирование фермионных гамильтонианов, а третий — использовался для стохастической оптимизации, которая приводила к дальнейшей минимизации энергии. При этом в силу симметрии спиновых орбиталей при взаимодействии число кубитов в квантовом компьютере, непосредственно использующихся для их моделирования, было сокращено с восьми до шести.
В качестве наглядного результата моделирования, ученые представили кривые зависимости потенциальной энергии от расстояния в молекулах водорода, гидрида лития и гидрида бериллия. Полученные данные физики сравнили с точным расчетом для основного состояния. Найденные отклонения от кривой для точного расчета ученые объясняют декогеренцией и недостаточной глубиной при расчетах базового энергетического состояния. Помимо моделирования структур отдельных молекул, физики показали, что предложенная ими архитектура квантового компьютера может использоваться и для достаточно точного расчета квантово-магнитных систем.
Опубликованная работа показала, что, несмотря на некоторые неточности, которые пока присутствуют в результатах, перспективы использования квантовых компьютеров для расчета структуры химических молекул действительно весьма многообещающие. В качестве основных способов дальнейшего усовершенствования квантово-компьютерных систем ученые называют увеличение времени когеренции и улучшение связи между отдельными кубитами.
Квантово-химические расчеты — не единственный пример успешного использования квантовых компьютеров. Так, недавно немецкие ученые использовали квантовый компьютер для моделирования физики высоких энергий.
Александр Дубов
Для этого физики косо сталкивали восемь плазменных струй
Британские и американские физики создали лабораторный аналог аккреционного диска, который возникает в космосе при падении газа на массивные объекты, например, черные дыры. В новом опыте, в отличие от предыдущих исследований, отсутствовали какие-либо стенки или ограничения для потоков — их закручивание происходило за счет нецентрального столкновения восьми плазменных струй. Плазменное кольцо продемонстрировало стабильность, что позволит в будущем исследовать роль магнитного поля в аккреции вещества. Исследование опубликовано в Physical Review Letters. Аккреционные потоки газа вокруг массивных тел встречаются во Вселенной довольно часто. Свет, испускаемый аккреционным диском, может свидетельствовать в том числе и о существовании черной дыры. Поведение газа, падающего на черную дыру, вызывает у исследователей множество вопросов, ответы на которые они добывают преимущественно теоретически. Лабораторные попытки понять физику аккреционного диска тоже существуют. Для этого физики создают потоки водно-глицериновых растворов или металлических расплавов в магнитном поле. Другой способ основан на подаче электрического тока на края холловской плазмы, удерживаемой постоянными магнитами. Недостатком всех этих методов остается наличие жестких границ, которые отсутствуют в космических процессах и искажают моделирование. Группа физиков под руководством Сергея Лебедева (Sergei Lebedev) из Имперского колледжа Лондона вместе с коллегами из США провели эксперимент, лишенный этого недостатка. Он заключался в косом сталкивании восьми плазменных струй, которые закручивались в кольцо. Их движение при этом напоминало движение вещества в аккреционном диске массивного тела. В эксперименте также образовывались характерные плазменные струи, перпендикулярные плоскости вращения. Установка физиков состояла из алюминиевых проволок толщиной 40 микрометров, расположенных в серединах ребер правильного восьмиугольника. Ученые пропускали через них импульсы большого тока (до 1,4 мегаампера на пике), что приводило к нагреву и абляции вещества. Магнитные поля формировали абляционные потоки и направляли их в середину установки, слегка отклоняя от центра. Столкновение потоков вещества формировало его в кольцо диаметром шесть миллиметров. Оно существовало не более 210 наносекунд, за время которого плазма делала от половины до двух оборотов. Физики следили за ее образованием и развитием в оптическом и экстремально-ультрафиолетовом диапазоне, что позволило исследовать распределение скоростей. Изображения показали, что плазменное кольцо стабильно в течение срока жизни, а само вращение происходит в квазикеплеровском режиме. Авторы также наблюдали плазменную струю, порожденную из вращающегося плазменного столба осевыми градиентами теплового и магнитного давления. Скорость вещества в ней составила 100±20 километров в секунду. Малый угол расходимости — 3±1 градус — свидетельствовал об отсутствии эффектов нестабильности. Струю также окружал плазменный ореол. В будущем авторы планируют продлить время жизни кольца за счет более долгих абляционных импульсов, для чего им потребуется использовать более толстые проволоки. Они убеждены, что замена алюминия на другие материалы позволит контролировать различные параметры магнитнодинамического потока. В будущем это позволит в лаборатории приблизиться к условиям, возникающим в астрофизических процессах, и понять роль нестабильности магнитных полей в аккреции вещества. Аккреционный диск — это не единственное явление, связанное с черными дырами, которое физики пытаются воспроизвести в лабораторных экспериментах. Ранее мы рассказывали, как течение воды в сливе раковины помогает изучать квазисвязанные состояния черных дыр, и как в конденсате Бозе — Эйнштейна подтвердили тепловой спектр излучения Хокинга.