Физики превратили квантовый процессор в цифровой аналог коллайдера. Они столкнули два волновых пакета внутри одномерной квантовой модели, и вычисление на 104 кубитах воспроизвело неупругое рассеяние — процесс, при котором энергия столкновения рождает дополнительные частицы.

Внутри процессора не летают никакие реальные частицы. Квантовый компьютер численно воспроизводил квантовое поле, разбитое на дискретные участки. Каждый волновой пакет представлял самую лёгкую частицу в теории. После столкновения при высокой энергии расчёт показал компоненту, соответствующую одной лёгкой и одной более тяжёлой исходящей частице.

Эксперимент проводился в одномерной теории поля Изинга. Модель Изинга началась как описание магнетизма, но стала инструментом для исследования фазовых переходов и квантовых систем. Здесь она служила управляемой моделью квантовой теории поля, где свойства частиц поддаются точному расчёту и проверке.

Тяжёлую частицу не измеряли напрямую. После столкновения команда измерила распределение плотности энергии и проанализировала его асимметрию. Возникшая после высокоэнергетического удара асимметричная компонента соответствовала неупругому рассеянию с появлением более тяжёлой частицы. При меньшей энергии, когда рождение такой частицы невозможно, характерного сигнала не было.

Расчёты выполнялись на процессоре IBM семейства Heron со 156 сверхпроводящими кубитами. Для крупного варианта эксперимента задействовали 104 кубита и до 5589 двухкубитных операций. Большое число операций критично для современных квантовых устройств: ошибки накапливаются и могут скрыть физический сигнал задолго до завершения вычисления.

Ключевой частью работы стал новый способ подготовки начальных волновых пакетов. Алгоритм использует W-состояние — многочастичную квантовую запутанность, при которой одно возбуждение распределяется между множеством кубитов. Промежуточные измерения и операции, выбранные в зависимости от результата, превращают исходное состояние в нужный волновой пакет.

Этот подход устраняет серьёзный барьер для цифровых симуляций столкновений. В предыдущих схемах глубина вычислений росла вместе с размером волнового пакета, поэтому расширение моделируемой области быстро делало расчёт слишком длинным для шумного оборудования. В новом алгоритме глубина подготовки не зависит от пространственного размера пакета. Авторы также построили схемы для скалярной теории поля, модели Швингера и двумерной теории Изинга.

Столкновение процессор прослеживал во времени после подготовки двух приближающихся пакетов. Такие расчёты считаются перспективной задачей для квантовых машин: взаимодействие быстро создаёт сложное многочастичное состояние с растущей запутанностью. Классическим компьютерам становится труднее хранить и обновлять полное описание системы по мере увеличения степеней свободы.

Результат пока не конкурирует с Большим адронным коллайдером и не пригоден для расчётов реальных столкновений кварков и глюонов. Эксперимент ограничен одномерной упрощённой теорией, а современные процессоры требуют методов подавления ошибок. Значение работы в другом: квантовая машина смогла проследить столкновение до стадии, где энергия рождает новый набор частиц. Разработанный метод подготовки волновых пакетов переносится на более сложные теории.

Следующий шаг — переход к более высоким размерностям и теориям, которые классическому моделированию даются с трудом. Там цифровые квантовые симуляторы могут стать вычислительным дополнением к реальным ускорителям: экспериментальные установки будут сталкивать частицы, а квантовые процессоры рассчитывать динамику процессов, для которых классическое моделирование требует слишком много ресурсов.