Forscher am Duke Quantum Center (DQC) haben einen Quantensimulator genutzt, um die Dynamik des String-Breakings zu beobachten, die mit der Bildung von Teilchen-Antiteilchen-Paaren zusammenhängt – eine der frühesten Demonstrationen dieser Art in der Quantenphysik. Die am 23. September in Nature Physics veröffentlichte Arbeit legt nahe, dass Ionenfallen-Quantencomputer irgendwann als leistungsstarke Werkzeuge dienen könnten, um die tiefsten Fragen der fundamentalen Physik zu erforschen. Das Experiment simulierte String-Breaking: Zwei verbundene Bausteine der Materie werden auseinandergezogen, bis sich genug Energie ansammelt, dass neue Teilchen effektiv „aus dem Nichts entstehen“, wenn die Verbindung reißt.

„Quantencomputersimulationen bieten die beste Plattform, um komplexe Fragen wie die Materiebildung zu untersuchen – es sei denn, man hätte den Urknall selbst miterlebt“, sagte Christopher Monroe, Gilhuly Family Presidential Distinguished Professor für Elektro- und Computertechnik sowie Physik an der Duke University, der die Forschung leitete. „Diese Ergebnisse signalisieren eine deutliche Entwicklung im Bereich der Quantenwissenschaft und eröffnen uns neue Wege, die Dynamik des String-Breakings zu verstehen.“

Die Studie war eine internationale Zusammenarbeit mit Forschern der University of Maryland (UMD), der Oxford University, des California Institute of Technology, der Cornell University und der KU Leuven. Die Ergebnisse erscheinen zusammen mit zwei weiteren kürzlich veröffentlichten Studien separater Teams, die ähnliche Physik mit anderer Quantencomputer-Hardware reproduzierten.

Quarks gehören zu den fundamentalsten bekannten Bausteinen der Materie. Sie leben in Teilchen wie Protonen und Neutronen und sind etwa eine Milliarde Mal kleiner als ein Atom. Wissenschaftler können isolierte Quarks derzeit nicht direkt beobachten, weil Quarks normalerweise fest aneinander gebunden bleiben. Man stelle sich zwei winzige geladene Teilchen vor, die durch eine straff gespannte Schnur verbunden sind: Je weiter sie auseinandergezogen werden, desto mehr Energie wird in der Verbindung gespeichert. Irgendwann kann sich genug Energie ansammeln, um zusätzliche geladene Teilchen zu erzeugen – denn Masse und Energie sind durch Einsteins berühmtes E=mc2 verknüpft. Statt mit einem getrennten Paar zu enden, reißt die ursprüngliche Verbindung und es bilden sich neue Teilchenpaare. Solche Prozesse erfordern enorme Energien und treten normalerweise nur unter extremen Bedingungen auf, wie sie im Large Hadron Collider herrschen oder kurz nach dem Urknall geherrscht haben sollen.

Im neuen Experiment reproduzierte das von Duke geleitete Team ein analoges String-Breaking-Verhalten mithilfe einer Ionenfallen-Quantenplattform. Quantensimulatoren sind hier besonders nützlich, weil Forscher sie präzise steuern und programmieren können, um Prozesse auf atomarer und subatomarer Ebene nachzuahmen.

„An der Schnittstelle von Quantensimulation und Hochenergiephysik zu arbeiten, ist unglaublich spannend“, sagte Arinjoy De, Erstautor der Arbeit, ehemaliger Doktorand in Monroes Labor und jetzt Produktionsmaschinenleiter bei QuEra Computing. „Indem wir Quark-Confinement und String-Breaking-Phänomene in einer kontrollierten Laborumgebung simulieren, eröffnen wir neue Wege für experimentelle Untersuchungen des Verhaltens von Materie auf ihrer fundamentalsten Ebene.“

Um die Simulation aufzubauen, kodierten die Forscher ein String-Breaking-Modell in eine Kette aus 13 gefangenen Ionen. Sorgfältig gesteuerte Laserstrahlen passten an, wie die Ionen miteinander wechselwirkten. Diese Wechselwirkungen ermöglichten es dem Team, die Energie des Systems so zu steuern, dass das Dehnen und schließliche Reißen einer teilchenartigen Schnur reproduziert wurde. Die Forscher präparierten das System in einem Nichtgleichgewichtszustand und verfolgten, wie es sich mit der Zeit veränderte, detektierten das Auftreten effektiver Ladungen und rekonstruierten die mit dem simulierten String-Breaking verbundene Dynamik. Zur Überprüfung der Ergebnisse modellierte das Team denselben Prozess auch auf einem klassischen Computer, und die klassischen Berechnungen stimmten mit den experimentellen Ergebnissen des Quantensimulators überein.

Für Simulationen in diesem relativ kleinen Maßstab können klassische Computer die Mathematik noch bewältigen. Die Forscher erwarten, dass mit größer werdenden und komplexeren zukünftigen Experimenten