Ложный вакуум под квантовым микроскопом

Представьте, что нашей Вселенной угрожает некий «пузырь», который может внезапно возникнуть из пустоты и мгновенно поглотить всё вокруг. Звучит как научная фантастика, но это реальный сценарий, известный физикам как коллапс ложного вакуума. В теории поля ложный вакуум — это метастабильное состояние, которое кажется стабильным, но на самом деле сидит в «локальном минимуме» энергии. Рано или поздно оттуда можно «скатиться» в состояние с ещё более низкой энергией — истинный вакуум. Если наша Вселенная сейчас случайно обитает в таком ложном вакууме, то рано или поздно (хотя скорее очень нескоро) возникнет пузырь истинного вакуума, который расширится со скоростью света, уничтожая всё вокруг.

Недавно физики впервые смоделировали это явление с помощью квантового компьютера на 5 564 кубитах. Они создали «мини-Вселенную» в отжигателе (quantum annealer) компании D-Wave, запрограммировав массив кубитов так, чтобы он вёл себя как метастабильный ложный вакуум в упрощённой модели. Затем систему аккуратно «толкнули», провоцируя квантовый переход к состоянию истинного вакуума. Это можно считать квантовым аналогом шарика, который перескакивает через барьер в более глубокую впадину. В итоге на матрице кубитов появился «пузырь» истинного вакуума, растущий и поглощающий «ложновакуумную» конфигурацию — ровно так, как предсказывает теория.

Все эти пугающие сценарии — скорее теоретическая экзотика. Моделирование призвано не взорвать Вселенную, а понять, как происходит квантовый фазовый переход. Такие процессы важны для физики ранней Вселенной, для описания переходов первого рода (например, при рождении «пузырей» в конденсированных средах) и множества других задач, которые трудно решать на классическом компьютере. Квантовый же отжигатель, сам будучи «квантовым существом», способен эффективно имитировать подобные эффекты. Эксперимент доказал, что тысячи шумных кубитов могут справиться с серьёзной задачей, которой не потянут даже суперкомпьютеры.

5564 кубита в квантовом отжигателе: как это устроено

Многие слышали о квантовых процессорах Google и IBM, где десятки или сотни кубитов связаны полноценными гейтами (логическими операциями). Однако D-Wave идёт другим путём: их чип не универсален в классическом смысле, а представляет собой квантовый отжигатель, предназначенный в первую очередь для оптимизационных задач. В новейшей версии D-Wave Advantage число кубитов перевалило за пять тысяч. Каждый кубит — это маленькое сверхпроводящее кольцо, способное находиться в суперпозиции разных направлений тока. Кубиты соединены по специальной схеме, и, запуская «отжиг» (плавное изменение магнитных полей), можно «скатывать» систему в энергетический минимум или переводить её через барьер — что, в упрощённом виде, и есть «распад ложного вакуума».

Хотя шум и ограниченная гибкость делают эти кубиты «слабее» универсальных, они могут работать масштабно: тысячи соединённых кубитов уже прямо сейчас доступны для научных исследований. В данном эксперименте учёные задали систему взаимодействий, имитирующую состояние метастабильного вакуума, а затем программно «толкнули» её за барьер. Группы кубитов стали переключаться в новое состояние, как растущий пузырь истинного вакуума. Наблюдали возникновение и эволюцию таких пузырей, тем самым изучая динамику распада ложного вакуума «в миниатюре».

Прогресс квантовых вычислений: 2024–2025

Квантовое превосходство и его развитие

В 2019 году Google впервые громко заявила о квантовом превосходстве на 53-кубитном процессоре Sycamore. С тех пор несколько команд (в т.ч. китайские исследователи) показали аналогичные достижения, причём не только на сверхпроводящих чипах, но и в фотонных системах. Параллельно классические алгоритмы тоже не стояли на месте: оказалось, что «невозможные» для суперкомпьютеров задачи иногда можно подсократить умными трюками. Тем не менее, с увеличением «глубины» и «сложности» квантовых схем классика сдаёт позиции. И сейчас фокус смещается на практическое квантовое преимущество — то есть когда квантовый алгоритм реально даёт пользу в задачах химии, оптимизации, ИИ и т.д.

Увеличение числа кубитов

IBM вышла за сотню кубитов ещё на процессоре Eagle (127), потом Osprey (433). В декабре 2023 компания показала чип Condor на 1121 кубит, впервые преодолев тысячу. Google, IonQ, китайские группы из USTC и другие тоже скакнули к сотням и тысячам кубитов. Не все они универсальные, но динамика впечатляет. При этом важен не просто «сырой» счёт кубитов, а их качество (уровень шума, время когерентности) — тут соревнуются в том, у кого выше «квантовый объём» (Quantum Volume).

Квантовая коррекция ошибок

Всю дорогу квантовые системы страдают от декогеренции, и нужен механизм коррекции ошибок. В 2023–2024 появились первые доказательства, что мы можем преодолеть «break-even point» — то есть удлинить жизнь логического кубита (на наборе физических) сверх времени жизни каждого отдельного. Это исторический прорыв, ведь без коррекции ошибок квантовые вычисления строго ограничены по глубине. В перспективе будут создаваться большие «логические» кубиты из сотен или тысяч физических, а затем объединяться в реально масштабируемую машину.

Новые алгоритмы и приложения

Пока инженеры совершенствуют «железо», математики и программисты разрабатывают алгоритмы: квантовую химию (VQE, симуляции молекул), квантовую оптимизацию (QAOA, машинное обучение) и т.д. Появляются гибридные схемы, где часть работы берёт на себя квантовый чип, а часть — классический. В результате уже есть первые успешные тесты по расчёту свойств молекул, ускорению некоторых ML-задач. К тому же крупные компании (IBM, AWS, Microsoft) открыли облачный доступ к квантовым процессорам, и это запустило волну обучения и экспериментов сообществом.

Что нас ждёт к 2025 и дальше

1. Модульность и миллион кубитов. Все понимают, что миллионы кубитов на одном монолитном чипе сделать почти нереально. Поэтому идёт тренд на модульные квантовые архитектуры: объединять несколько средних по размеру чипов через быструю квантовую сеть. IBM с Quantum System Two, Microsoft со своими планами по топологическим кубитам, IonQ с модулями ионных ловушек — всё это шаги к тому, чтобы «наращивать квантовый компьютер блоками».

2. Топологические и фотонные кубиты. Помимо сверхпроводников, появляются новые методы: топологические кубиты (у Microsoft) теоретически могут быть устойчивее к шуму, а фотонные чипы (Xanadu, PsiQuantum) работают при комнатной температуре и уже показывают «оптическое превосходство» в задачах бозонной выборки. Если удастся сделать эти платформы универсальными, мы получим альтернативу сверхпроводящим схемам.

3. Квантовые сети и квантовый интернет. Связанные по запутанности чипы могут образовывать распределённую систему. Уже сейчас есть несколько лабораторных демонстраций квантовой телепортации на сотни километров, а в Китае вообще оптическая линия Пекин–Шанхай (2000+ км). К 2030-м годам мы можем увидеть первые зачатки полноценного «квантового интернета», который объединит удалённые модули и даст абсолютно безопасную связь (QKD).

4. Прикладное применение. Две главные области: (а) квантовая химия и материаловедение (можно моделировать молекулы, сверхпроводники, ферменты и т.д.), (б) оптимизационные задачи (логистика, маршрутизация, финансы). В перспективе — машинное обучение (ускоренная линейная алгебра, квантовые нейросети). Криптография также стоит особняком: великие силы с одной стороны хотят взломать RSA (алгоритмом Шора), с другой — защищают связь квантовыми методами (QKD, постквантовые алгоритмы).

5. Фундаментальная наука. Квантовые процессоры становятся «универсальными лабораториями» для моделирования сложных систем природы: от чёрных дыр до ложного вакуума. Именно благодаря этой роли мы и видим эксперимент, где мини-Вселенной смоделировали переход между метастабильным и истинным вакуумом.

Итог: квантовый скачок в технологическое будущее

Моделирование ложного вакуума на 5564 кубитах — наглядная демонстрация того, что мы уже вплотную подошли к реальным практическим симуляциям в масштабах, до которых классическим суперкомпьютерам не дотянуться. Пожалуй, это один из ярких «звоночков», показывающих, что квантовые вычисления потихоньку выходят за пределы научных игрушек и становятся настоящим инструментом.

Конечно, пока есть множество ограничений: шум, низкие времена когерентности, отсутствие полного набора гейтов (у отжигателя D-Wave) и т.д. Но сама динамика прогресса — рост числа кубитов, улучшение методик коррекции ошибок, разработка новых алгоритмов — даёт понять, что в обозримом будущем квантовые компьютеры будут способны на настоящие прорывы. Кто знает, может через несколько лет мы научимся моделировать не только вакуум, но и более экзотические аспекты Вселенной, которые пока даже вообразить сложно.

Ключевой вывод: квантовая техника — это реальность, и она уже сегодня даёт результаты, когда-то считавшиеся невозможными. А дальше нас ждут ещё более масштабные вычисления, новые технологии и открытия на стыке физики, информатики, космологии и математики. Точно не будет скучно!