Квантовые компьютеры помогут изучить внутренности нейтронных звезд

Фазовая диаграмма физики частиц на квантовом компьютере. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65198-w

Новая научная работа, опубликованная в журнале Nature Communications, может помочь ученым понять одно из самых экстремальных мест во Вселенной — внутренность нейтронной звезды.

Кристин Мушик, сотрудник Института квантовых вычислений Университета Ватерлоо и научный сотрудник Perimeter Institute, входит в американо-канадскую исследовательскую группу, использующую квантовый компьютер для развития теории квантовой хромодинамики. Эта теория описывает, как различные типы кварков и глюонов (самые фундаментальные частицы природы) взаимодействуют в ядрах.

Чтобы по-настоящему понять поведение кварк-глюонной плазмы в экстремальных условиях, подобных началу Вселенной или внутренностям нейтронных звезд, ученым нужна карта — так называемая «фазовая диаграмма», описывающая фазовые переходы в этих условиях. Они настолько экстремальны — плотны и сложны — что классические компьютерные симуляции соответствующих моделей оказываются несостоятельными.

Но даже с квантовым компьютером задачи моделирования сред с такой высокой плотностью частиц остаются огромными.

«Это одна из тех областей, где наши нынешние компьютеры полностью терпят неудачу, и у нас есть мотивация использовать квантовые компьютеры, — говорит Мушик. — Эта работа может рассказать нам что-то о природе и о том, какие состояния материи были возможны в ранней Вселенной, например».

Команда разработала упрощенную одномерную фазовую диаграмму, которая может стать отправной точкой для будущего изучения квантовой хромодинамики в подобных экстремальных средах. Они успешно протестировали ее на квантовом компьютере с захваченными ионами совместно с американской командой, заложив основу для исследования явлений КХД на квантовых платформах и повышения эффективности квантовых симуляторов.

Исследователи использовали движение захваченных ионов в качестве вспомогательных кубитов для нового типа вспомогательного регистра, который помог сделать квантовые вычисления значительно более эффективными.

«Это продвигает всю область квантовых вычислений, теперь, когда у нас есть этот новый тип вспомогательного регистра, который мы можем использовать с выгодой для себя», — отмечает Мушик.

ИИ: В 2025 году квантовые вычисления продолжают оставаться одной из самых перспективных технологий, и данное исследование демонстрирует их практическую ценность для фундаментальной науки. Возможность моделировать недоступные ранее состояния материи открывает новые горизонты для понимания устройства нашей Вселенной.