Квантовые компьютеры помогают узнать, что происходит внутри нейтронных звёзд.

Нейтронные звёзды остаются одной из главных загадок современной астрофизики: это объекты, где вещество сжимается до таких плотностей, что привычные модели физики начинают давать сбой. Понять, что происходит в их недрах, важно не только для описания редких космических катастроф, но и для ответа на вопрос, в каких состояниях вообще может существовать материя во Вселенной.

Нейтронная звезда — это сверхплотное ядро массивной звезды, пережившей взрыв сверхновой. Масса, сравнимая или превосходящая массу Солнца, упакована в шар радиусом около десятков километров, из-за чего вещество в такой звезде в миллиарды раз плотнее, чем в привычных нам условиях.

Квантовый компьютер за тяжёлой вычислительной работой. Изображение сгенерировано нейросетью.

Как квантовые компьютеры включились в игру?

В конце 2025 года международная американо-канадская команда физиков опубликовала в журнале Nature Communications работу, в которой использовала квантовый компьютер для изучения теории сильного взаимодействия — квантовой хромодинамики (КХД). Именно она описывает, как фундаментальные частицы кварки и глюоны ведут себя внутри атомных ядер и в ещё более экстремальных средах, вроде внутренних слоёв нейтронных звёзд.

Квантовая хромодинамика (КХД) — раздел физики элементарных частиц, который описывает взаимодействия кварков и глюонов. Это фундаментальная теория сильного взаимодействия, отвечающего за «склеивание» протонов и нейтронов в ядрах атомов и за поведение вещества при колоссальных плотностях и температурах.

Чтобы описать возможные состояния такого вещества, учёным нужна подробная карта — фазовая диаграмма. Она показывает, при каких температурах и плотностях материя переходит из одного состояния в другое, например из обычного ядерного вещества в так называемую кварк-глюонную плазму, где кварки и глюоны уже не заперты внутри частиц.

Фазовая диаграмма — это «карта состояний» вещества: по одной оси обычно откладывают температуру, по другой — плотность или давление и отмечают, при каких параметрах материя существует в твёрдом, жидком, плазменном или других экзотических состояниях. Кварк-глюонная плазма — особое состояние вещества, в котором кварки и глюоны не связаны внутри протонов и нейтронов, а образуют как бы «суп» из фундаментальных частиц.

Классические суперкомпьютеры здесь бессильны: расчёты для столь плотных и сложных систем оказываются слишком тяжёлыми. Поэтому физики обратились к квантовому компьютеру на захваченных ионах. Команда разработала упрощённую одномерную фазовую диаграмму и реализовала её на ионной квантовой платформе, использовав колебания ионов в ловушке в качестве вспомогательных кубитов. Такой новый вспомогательный регистр позволил эффективнее готовить нужные квантовые состояния и ускорил вычисления.

Ионный квантовый компьютер — это устройство, в котором роль элементов вычисления играют ионы, удерживаемые в электромагнитной ловушке и управляемые лазерами. Кубит — минимальная единица квантовой информации, аналог бита в обычном компьютере, но способный находиться в нескольких состояниях одновременно. Вспомогательный регистр — дополнительный набор кубитов, который используют как «рабочую область» для ускорения и упрощения квантовых алгоритмов.

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

Что новый подход говорит о внутренностях нейтронных звёзд?

Созданная сейчас одномерная фазовая диаграмма — это ещё не полный «атлас» состояний вещества, подходящих для описания недр нейтронных звёзд. Но это важный тестовый полигон. Он показывает, что квантовые устройства уже сегодня способны моделировать простые версии КХД при высоких плотностях, с которыми классические алгоритмы не справляются. А значит, следующими шагами могут стать более реалистичные модели, учитывающие трёхмерную структуру и сложные взаимодействия частиц.

В перспективе такие расчёты помогут проверить, какие сценарии строения нейтронной звезды вообще возможны. Например, при каких условиях привычное ядерное вещество в её ядре переходит в экзотические фазы, где нейтроны и протоны превращаются в «море» кварков, и как это скажется на массе, радиусе и устойчивости самой звезды. Сравнивая теоретические модели с наблюдаемыми данными — от измерений гравитационных волн при слиянии нейтронных звёзд до рентгеновских вспышек, — астрофизики смогут сузить круг допустимых сценариев.

Последствия для науки и технологий.

У этой работы двойной эффект. С одной стороны, она открывает новый путь к пониманию того, как ведёт себя материя в самых экстремальных условиях во Вселенной — от первых долей секунды после Большого взрыва до недр нейтронных звёзд. С другой — продвигает вперёд сами квантовые технологии: предложенный исследователями тип вспомогательного регистра на основе движения ионов можно применять и в других задачах, где нужны сложные вероятностные распределения и работа с большим числом состояний.

По мере того как квантовые устройства будут становиться мощнее и надёжнее, их роль в фундаментальной физике будет расти. Уже сейчас становится ясно, что без них построить полную и достоверную карту фаз квантовой хромодинамики вряд ли получится. А такая карта, в свою очередь, позволит гораздо точнее ответить на вопрос, что происходит в недрах нейтронных звёзд, где материя испытана до предела известных нам законов природы.