ड्यूक क्वांटम सेंटर (DQC) के शोधकर्ताओं ने एक क्वांटम सिमुलेटर का उपयोग करके स्ट्रिंग ब्रेकिंग डायनामिक्स को देखा, जो कण-प्रतिकण निर्माण से जुड़ा है। यह क्वांटम भौतिकी में अपनी तरह का सबसे शुरुआती प्रदर्शनों में से एक है। 23 सितंबर को नेचर फिजिक्स में प्रकाशित यह काम बताता है कि ट्रैप्ड-आयन क्वांटम कंप्यूटर भविष्य में बुनियादी भौतिकी के गहरे सवालों की जांच के लिए शक्तिशाली उपकरण बन सकते हैं। प्रयोग ने स्ट्रिंग ब्रेकिंग का सिमुलेशन किया: पदार्थ के दो जुड़े हुए बिल्डिंग ब्लॉक्स को तब तक अलग खींचा जाता है जब तक कि इतनी ऊर्जा जमा न हो जाए कि कनेक्शन टूटने पर नए कण प्रभावी रूप से "अस्तित्व में पॉप" हो जाएं।

ड्यूक में इलेक्ट्रिकल और कंप्यूटर इंजीनियरिंग तथा भौतिकी के गिलहुली फैमिली प्रेसिडेंशियल डिस्टिंग्विश्ड प्रोफेसर क्रिस्टोफर मोनरो, जिन्होंने इस शोध का नेतृत्व किया, ने कहा, "क्वांटम कंप्यूटर सिमुलेशन, मैटर फॉर्मेशन जैसे जटिल सवालों की जांच के लिए सबसे अच्छा प्लेटफॉर्म प्रदान करते हैं, बशर्ते कि आपने खुद बिग बैंग देखा हो।" "ये निष्कर्ष क्वांटम विज्ञान के क्षेत्र में एक उल्लेखनीय विकास का संकेत देते हैं और स्ट्रिंग-ब्रेकिंग डायनामिक्स को समझने के लिए हमारे लिए नए रास्ते खोलते हैं।"

यह अध्ययन एक अंतरराष्ट्रीय सहयोग था जिसमें यूनिवर्सिटी ऑफ मैरीलैंड (UMD), ऑक्सफोर्ड यूनिवर्सिटी, कैलिफोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी, कॉर्नेल यूनिवर्सिटी और केयू ल्यूवेन के शोधकर्ता शामिल थे। ये निष्कर्ष अलग-अलग टीमों के दो अन्य हाल ही में प्रकाशित अध्ययनों के साथ आते हैं, जिन्होंने विभिन्न क्वांटम कंप्यूटिंग हार्डवेयर का उपयोग करके समान भौतिकी को दोहराया।

क्वार्क पदार्थ के सबसे बुनियादी ज्ञात बिल्डिंग ब्लॉक्स में से हैं। वे प्रोटॉन और न्यूट्रॉन जैसे कणों के अंदर रहते हैं और एक परमाणु से लगभग एक अरब गुना छोटे होते हैं। वैज्ञानिक वर्तमान में अलग-अलग क्वार्क को सीधे नहीं देख सकते क्योंकि क्वार्क आमतौर पर कसकर बंधे रहते हैं। दो छोटे आवेशित कणों की कल्पना करें जो एक कसकर खींची गई स्ट्रिंग से जुड़े हुए हैं: उन्हें जितना दूर खींचा जाता है, उतनी ही अधिक ऊर्जा कनेक्शन में जमा होती है। अंततः, अतिरिक्त आवेशित कणों को बनाने के लिए पर्याप्त ऊर्जा जमा हो सकती है - क्योंकि द्रव्यमान और ऊर्जा आइंस्टीन के प्रसिद्ध E=mc2 के माध्यम से संबंधित हैं। एक अलग जोड़ी के साथ समाप्त होने के बजाय, मूल कनेक्शन टूट जाता है और नई कण जोड़े बनते हैं। ऐसी प्रक्रियाओं के लिए भारी ऊर्जा की आवश्यकता होती है और सामान्यतः ये केवल अत्यधिक परिस्थितियों में होती हैं, जैसे लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर के अंदर या बिग बैंग के तुरंत बाद मौजूद मानी जाने वाली परिस्थितियों में।

नए प्रयोग में, ड्यूक के नेतृत्व वाली टीम ने ट्रैप्ड-आयन क्वांटम प्लेटफॉर्म का उपयोग करके समान स्ट्रिंग ब्रेकिंग व्यवहार को दोहराया। क्वांटम सिमुलेटर यहां विशेष रूप से उपयोगी हैं क्योंकि शोधकर्ता परमाणु और उप-परमाणु स्तरों पर प्रक्रियाओं की नकल करने के लिए उन्हें सटीक रूप से नियंत्रित और प्रोग्राम कर सकते हैं।

पेपर के पहले लेखक, मोनरो की लैब के पूर्व पीएचडी छात्र और अब QuEra Computing में प्रोडक्शन मशीन लीड अरिंजॉय डे ने कहा, "क्वांटम सिमुलेशन और उच्च-ऊर्जा भौतिकी के चौराहे पर काम करना अविश्वसनीय रूप से रोमांचक है।" "एक नियंत्रित प्रयोगशाला वातावरण में क्वार्क कन्फाइनमेंट और स्ट्रिंग-ब्रेकिंग घटनाओं का सिमुलेशन करके, हम पदार्थ के सबसे बुनियादी स्तर पर व्यवहार की प्रायोगिक जांच के लिए नए रास्ते खोल रहे हैं।"

सिमुलेशन बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने 13 ट्रैप्ड आयनों की एक श्रृंखला में एक स्ट्रिंग ब्रेकिंग मॉडल को एन्कोड किया। सावधानी से नियंत्रित लेजर बीम ने आयनों के एक-दूसरे के साथ इंटरैक्ट करने के तरीके को समायोजित किया। उन इंटरैक्शनों ने टीम को सिस्टम की ऊर्जा को इस तरह नियंत्रित करने की अनुमति दी जिसने कण-जैसी स्ट्रिंग के खिंचाव और अंततः टूटने को पुन: उत्पन्न किया। शोधकर्ताओं ने सिस्टम को एक गैर-संतुलन स्थिति में तैयार किया और समय के साथ यह कैसे बदला, इसका पालन किया, प्रभावी आवेशों की उपस्थिति का पता लगाया और सिमुलेटेड स्ट्रिंग ब्रेकिंग से जुड़ी गतिशीलता का पुनर्निर्माण किया। परिणामों की जांच के लिए, टीम ने एक क्लासिकल कंप्यूटर पर भी उसी प्रक्रिया का मॉडल तैयार किया, और क्लासिकल गणनाएं क्वांटम सिमुलेटर के प्रायोगिक परिणामों से मेल खाती थीं।

इस अपेक्षाकृत छोटे पैमाने पर सिमुलेशन के लिए, क्लासिकल कंप्यूटर अभी भी गणित कर सकते हैं। शोधकर्ताओं को उम्मीद है कि जैसे-जैसे भविष्य के प्रयोग बड़े और अधिक जटिल होंगे, क्वांटम सिमुलेटर की भूमिका और भी महत्वपूर्ण हो जाएगी।