IBM кванттық компьютері адронданудың негізгі кезеңін 104 кубитте модельдеді

Ок-Ридж, АҚШ. Лоуренс Беркли ұлттық зертханасының зерттеушісі Энтони Чиаварелла IBM Heron процессорының 104 кубитін түстік ішектің үзілуін модельдеу үшін қолданды. Бұл — адронданудың негізгі механизмдерінің бірі: күшті өзара әрекет энергиясы жаңа кварк-антикварк жұптарына айналып, олардан байланысқан бөлшектер түзіледі.

Нәтиже туралы 30 маусымда Oak Ridge Leadership Computing Facility хабарлады. Рецензияланған жұмыстың өзі Physical Review D журналында 2025 жылы жарияланған. Сондықтан бұл 2026 жылғы 1 шілдеде шыққан жаңа ғылыми мақала емес, жоба туралы кейінгі материал.

Демонстрация толық кванттық хромодинамикадағы адрондануды есептемейді және классикалық суперкомпьютерлерден кванттық басымдық көрсетпейді. Зерттеуші жеңілдетілген теорияны қолданып, нәтижені классикалық әдіспен қолжетімді есеппен салыстырды. Жұмыстың құндылығы — қазіргі шулы жабдықта кванттық өрістің бастапқы күйі мен уақыттық эволюциясын масштабтау тәсілін тексеру.

Адрондану: кварктар неге жеке көрінбейді

Кварктар мен глюондар түстік заряд тасып, күшті өзара әрекетке бағынады. Электр күшінен айырмашылығы, кварктар алыстаған сайын олардың байланысы жай ғана әлсіремейді. Араларында жіңішке түстік өріс пайда болады, оны керілген ішекке ұқсатуға болады.

Ішектегі энергия жеткілікті болғанда оны әрі қарай созғаннан гөрі жаңа кварк–антикварк жұбын жасау тиімді болады. Жаңа бөлшектер бастапқы ұштармен байланысып, бір ұзын ішек екі байланысқан жүйеге бөлінеді. Нақты соқтығыстарда мұндай каскад көптеген адронға әкеледі.

Протондар мен нейтрондар — адрондар, бірақ Чиаварелла тәжірибесі олардың толық түзілуін модельдеген жоқ. Қолданылған теория кварк пен антикварктан тұратын мезонға ұқсас күйлерді бақылады. CERN адрондануды конфайнмент әсерінен кварктар мен глюондардың байланысқан адрондарға ауысуы деп түсіндіреді.

IBM Heron жүйесінде нақты не іске қосылды

Кванттық компьютерге қолжетімділікті Ок-Ридж зертханасының QCUP бағдарламасы берді. IBM бұлттық платформасы арқылы зерттеуші жұмыста ibm_torino деп аталған Heron процессорының 104 кубитін пайдаланды.

Алдымен схема кванттық вакуумды және бір кварк–антикварк жұбы бар күйді дайындады. Кейін жүйе уақыт бойынша дамыды, ал өлшеулер қосымша жұптардың серпімсіз пайда болуын және мезонға ұқсас күйлер санының өзгеруін бақылаған.

Үлкен іске қосуда 104 кезектескен түйіні бар тор, Троттер жіктеуінің он қадамына дейін, 8 944 екі кубиттік CNOT операциясы және 172 максимал CNOT тереңдігі қолданылды. Троттер жіктеуі күрделі үздіксіз эволюцияны цифрлық кванттық процессор орындайтын шағын операциялар тізбегіне бөледі.

Есептеуді мүмкін еткен үш жеңілдету

• Ауыр кварктар. Олар торда аз таралады және кодтау ресурсын аз талап етеді.
• Бір кеңістік өлшемі. Бөлшектер бір сызық бойымен ғана қозғалды; уақытпен бірге бұл 1+1D деп белгіленеді.
• SU(2) калибрлік тобы. Толық кванттық хромодинамика SU(3) қолданады, сондықтан есептеу ұқсас механизмді көрсетеді, бірақ нақты кварктар мен глюондардың барлық физикасын қамтымайды.

Автор ауыр кварк шегінде мүмкін күйлер кеңістігін де қысқартты. Ғылыми жұмысқа сәйкес, бұл қысқарту калибрлік инварианттылық пен модельдің басқа симметрияларын сақтап, теорияны кубиттерге бейнелеуді жеңілдетеді.

Жүз кубиттік вакуум шағын жүйеде қалай дайындалды

Кванттық модельдеудің басты қиындықтарының бірі — эволюцияны орындау ғана емес, бастапқы күйді дұрыс дайындау. Кубиттер модельдің физикалық вакуумынан басталмаса, кейінгі есептеу мағынасын жоғалтады.

Чиаварелла масштабталатын вариациялық схемаларды қолданды. Олардың параметрлері шамамен 10–12 кубиттік жүйелерде оңтайландырылып, өлшемге тәуелділігі анықталды және табылған құрылым жүз кубитке көшірілді. Бұл үлкен кванттық схеманы классикалық оңтайландыру көлемін азайтады.

Кванттық нәтиже классикалық есеппен қай жерде сәйкес келді

Аппараттық қателердің бір бөлігі бәсеңдетілгеннен кейін IBM Heron ішектің үзілуі мен жұптардың пайда болуы кезіндегі бастапқы тербелістерді классикалық есепке сәйкес көрсетті. 104 кубиттік үлкен торда кванттық іске қосу күтілетін ерте динамикаға сай кеңістік-уақыт көрінісін берді.

Бірақ схема тереңдеген сайын дәлдік төмендеді. Авторлар жүйені асимптоталық кеш уақытқа дейін сенімді жеткізіп, мезондардың нақты соңғы санын ала алмады. Бұл үшін жабдық қатесі азаюы, шуды бәсеңдету жақсаруы немесе ақауға төзімді логикалық кубиттер қажет.

Неге бұл әлі кванттық басымдық емес

Ғылыми мағынадағы кванттық басымдық салыстырмалы классикалық әдіспен орындау мүмкін емес пайдалы есепті қажет етеді. Бұл жұмыста классикалық симуляция бар және эталон ретінде қолданылды. Екі тәсілді салыстыру кванттық іске қосудың дұрыстығын тексеруге мүмкіндік берді.

Сонымен қатар жүйе үлкейген сайын кванттық өріс күйлерінің кеңістігі экспоненциалды өседі. Кванттық процессорлар мұндай динамиканы классикалық жадқа қарағанда табиғи кодтауы мүмкін. Бірақ кубит санының өзі жеделдетуге кепілдік бермейді: шу, схема тереңдігі және өлшеу құны артықшылықты жоюы ықтимал.

Ішек үзілер алдында қызғандай көрінді

Ішектің ортасында есептеу бөлінер алдында шекті температурадағы газға ұқсас мінез-құлықты қайта көрсетті. Бұл әсер бұрынғы классикалық модельдерде байқалған, сондықтан кванттық іске қосу оны алғаш ашқан жоқ, жаңа схеманың сол ерекшелікті қалпына келтіре алғанын көрсетті.

Чиаварелланың айтуынша, мұндай жылулықтану әртүрлі жеңілдетілген теорияларда қайталанса, ол кванттық хромодинамиканың нақты қасиетін көрсетуі мүмкін. Қазір бұл тексерілетін болжам, протон соқтығысының ішіндегі материя күйін тікелей бақылау емес.

Нақты КХД-ға өту үшін не қажет

Келесі қадам — екінші кеңістік өлшемін қосу. Одан кейін SU(2)-ден SU(3)-ке өту, жеңілірек динамикалық кварктарды енгізу, эволюция уақытын ұзарту және коллайдер деректерімен салыстырылатын бақыланатын шамаларды алу керек. Әр қадам кубит пен операция сапасына қойылатын талапты күрт арттырады.

Адрондану нақты уақыттағы пертурбативті емес динамикаға жатады, сондықтан әдеттегі жуықтаулар нашар жұмыс істейді. Масштабталатын схемалар күрделі теорияларда дәлдігін сақтаса, олар БАК-тағы бөлшек ағындарын түсіндіруде классикалық суперкомпьютерлерді толықтыра алады.

Бұл жұмыс кванттық механиканың есептеу құралы ретіндегі практикалық жағын көрсетеді: процессор философиялық тәжірибеге емес, кванттық өрістің тікелей эволюциясына қолданылады. Cifrum.kz-тің 2026 жылғы серпінді технологиялар шолуында осындай гибридті ғылыми есептеулер инфрақұрылым дамуының бағыттарының бірі ретінде қарастырылған.

Қорытынды: толық субатомдық әлем емес, жұмыс істейтін үлгі

IBM Heron адрондану міндетін толық шешкен жоқ. Ол басқарылатын бір өлшемді SU(2) моделінде ішектің үзілуі мен кварк жұптарының серпімсіз пайда болуын көрсетті, әрі тек ерте динамика сандық тұрғыдан сенімді болды.

Негізгі нәтиже — есептеу бағытының іске жарамдылығы: шағын жүйеде физикалық вакуум дайындау, схеманы жүз кубитке масштабтау, нақты уақыт эволюциясын өткізу және бақыланатын шамаларды классикалық эталонмен салыстыру. Кванттық процессорлар классикалық машиналарға қолжетімсіз міндеттерге жеткен кезде дәл осындай үлгілер қажет болады.

Дереккөздер: Oak Ridge Leadership Computing Facility, arXiv препринті, Physical Review D, eScholarship репозиторийі, CERN.

Басты суретті Cifrum.kz үшін жасанды интеллект жасады. Ол IBM нақты процессорын немесе ішектің үзілуінің эксперименттік фотосын көрсетпейді. Инфографиканы Cifrum.kz редакциясы дайындады.