Квантовый компьютер IBM впервые смоделировал адронизацию — процесс, лежащий в основе всей видимой материи

В течение десятилетий фундаментальный процесс, благодаря которому кварки под действием сильного ядерного взаимодействия связываются в протоны и нейтроны — адронизация — оставался лишь теоретической моделью. Прямого численного моделирования на квантовом оборудовании не существовало. Ситуация изменилась в 2026 году, когда научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) Энтони Чаварелла провёл первую в мире симуляцию адронизации с использованием квантового компьютера IBM .

Что именно удалось сделать

Энтони Чаварелла, исследователь Berkeley Lab, удалённо подключился к квантовому компьютеру IBM через Программу квантовых вычислительных пользователей (QCUP) Ок-Риджского вычислительного центра (Oak Ridge Leadership Computing Facility) и успешно воспроизвёл адронизацию — процесс, в ходе которого кварки связываются сильным ядерным взаимодействием, образуя составные частицы — протоны и нейтроны . Это первое прямое моделирование данного ключевого процесса физики элементарных частиц на квантовом оборудовании, которое закладывает основу для расчётов, невозможных на классических суперкомпьютерах .

Работа опирается на более раннее исследование физиков Berkeley Lab Кристиана Бауэра, Марата Фрейциса и Бенджамина Нахмана, которые в 2022 году с помощью того же подхода QCUP рассчитали вероятность того, что частица, вылетающая из протонного столкновения, испускает дополнительные частицы . Проект Чавареллы 2026 года, опубликованный в Physical Review D, был специально посвящён полному моделированию процесса адронизации .

Упрощения, без которых симуляция была бы невозможна

Современные квантовые процессоры всё ещё «шумят» и имеют ограниченное число кубитов. Чтобы сделать расчёт адронизации выполнимым, группа приняла несколько серьёзных упрощений :

• Снижение пространственной размерности: Симуляция проводилась в упрощённой модели квантовой механики с размерностью 1+1, а не в полном трёхмерном пространстве .
• Предел тяжёлых кварков и усечение гильбертова пространства: Теория была отображена на решётку с помощью SU(2) решёточной калибровочной теории в размерности 1+1, с усечением гильбертова пространства в пределе тяжёлых кварков . Это кардинально уменьшило количество квантовых состояний, которые нужно было закодировать.
• Аппроксимация взаимодействий (локальность): Поскольку конфайнмент ограничивает сильные взаимодействия примерно размером адрона, исследователи спроектировали симуляцию так, чтобы кубиты взаимодействовали только с ближайшими соседями, а не требовалась связь «каждый с каждым» . Это позволило преобразовать взаимодействие в последовательность квантовых вентилей, доступных на современном оборудовании.
• Гибридный классическо-квантовый подход: Группа применила эффективную теорию поля, чтобы разбить полный расчёт на части: часть вычислений проводилась на классических компьютерах, а наиболее квантовоёмкая часть — на квантовом процессоре .

Ключевой результат: воспроизведение разрыва струны

Квантовая симуляция успешно воспроизвела хорошо известное явление из более ранних классических расчётов решёточной квантовой хромодинамики (КХД): разрыв глюонной струны — механизм, при котором «струна» глюонного поля сильного взаимодействия между двумя расходящимися кварками рвётся, создавая новые кварк-антикварковые пары . В статье OLCF прямо указано, что проект включал симуляцию «адронизации с разрывом струны» .

Этот результат подтверждает, что упрощённая квантовая модель корректно улавливает существенную непертурбативную динамику сильного взаимодействия, которая ранее была доступна только классическим решёточным симуляциям. Это доказывает, что подход физически осмыслен, а не является просто вычислительным упражнением.

Планы на будущее

Исследовательская группа уже наметила несколько следующих шагов :

• Повышение размерности: Переход от упрощённых моделей 1+1 к симуляциям в более высоких пространственных размерностях.
• Ослабление приближений: Продвижение к физическим задачам, более близким к реальной природе, с уменьшением числа необходимых упрощений.
• Масштабирование: Использование квантовых систем IBM с ~100+ кубитами, доступных через QCUP, для запуска более крупных и сложных симуляций, с которыми классические компьютеры не справятся.
• Методы подавления ошибок: Продолжение разработки и применения методов подавления ошибок для работы с шумом, присущим современному квантовому оборудованию .
• Прямые предсказания для коллайдерных экспериментов: Конечная цель — делать прямые, «из первых принципов» предсказания адронизации, которые можно будет сравнивать с данными Большого адронного коллайдера. Это поможет в поиске новой физики за пределами Стандартной модели .