I ricercatori del Duke Quantum Center (DQC) hanno utilizzato un simulatore quantistico per osservare la dinamica di rottura delle stringhe legata alla formazione di particelle e antiparticelle, segnando una delle prime dimostrazioni del genere nella fisica quantistica. Il lavoro, pubblicato il 23 settembre su Nature Physics, suggerisce che i computer quantistici a ioni intrappolati potrebbero eventualmente servire come potenti strumenti per indagare le domande più profonde della fisica fondamentale. L'esperimento ha simulato la rottura delle stringhe: due blocchi costitutivi della materia collegati vengono allontanati fino a quando si accumula abbastanza energia che nuove particelle effettivamente "sbocciano dal nulla" quando la connessione si spezza.

"Le simulazioni su computer quantistici forniscono la migliore piattaforma per indagare questioni complesse come la formazione della materia, a meno di aver assistito al Big Bang stesso", ha affermato Christopher Monroe, Gilhuly Family Presidential Distinguished Professor di Ingegneria Elettrica e Informatica e Fisica alla Duke, che ha guidato la ricerca. "Questi risultati segnalano un notevole sviluppo nel campo della scienza quantistica e aprono nuove strade per comprendere la dinamica della rottura delle stringhe."

Lo studio è stato una collaborazione internazionale che ha incluso ricercatori dell'Università del Maryland (UMD), dell'Università di Oxford, del California Institute of Technology, della Cornell University e della KU Leuven. I risultati appaiono insieme ad altri due studi recentemente pubblicati da team separati che hanno riprodotto una fisica simile utilizzando hardware di calcolo quantistico diverso.

I quark sono tra i più fondamentali mattoni costitutivi noti della materia. Vivono all'interno di particelle come protoni e neutroni e sono circa un miliardo di volte più piccoli di un atomo. Gli scienziati attualmente non possono osservare direttamente i quark isolati perché normalmente rimangono strettamente legati insieme. Immaginate due minuscole particelle cariche collegate da una stringa tesa: più vengono allontanate, più energia viene immagazzinata nella connessione. Alla fine, si può accumulare abbastanza energia da creare ulteriori particelle cariche - perché massa ed energia sono legate dalla famosa E=mc2 di Einstein. Invece di finire con una coppia separata, la connessione originale si rompe e si formano nuove coppie di particelle. Tali processi richiedono enormi quantità di energia e normalmente si verificano solo in condizioni estreme, come quelle all'interno del Large Hadron Collider o quelle che si ritiene siano esistite poco dopo il Big Bang.

Nel nuovo esperimento, il team guidato da Duke ha riprodotto un comportamento analogo di rottura delle stringhe utilizzando una piattaforma quantistica a ioni intrappolati. I simulatori quantistici sono particolarmente utili qui perché i ricercatori possono controllarli e programmarli con precisione per imitare processi su scala atomica e subatomica.

"Lavorare all'intersezione tra simulazione quantistica e fisica delle alte energie è incredibilmente eccitante", ha affermato Arinjoy De, primo autore dell'articolo, ex dottorando nel laboratorio di Monroe e ora responsabile della produzione di macchine presso QuEra Computing. "Simulando il confinamento dei quark e i fenomeni di rottura delle stringhe in un ambiente di laboratorio controllato, stiamo aprendo nuove strade per indagini sperimentali sul comportamento della materia al suo livello più fondamentale."

Per costruire la simulazione, i ricercatori hanno codificato un modello di rottura delle stringhe in una catena di 13 ioni intrappolati. Raggi laser attentamente controllati regolavano il modo in cui gli ioni interagivano tra loro. Tali interazioni hanno permesso al team di controllare l'energia del sistema in modo da riprodurre l'allungamento e l'eventuale rottura di una stringa simile a una particella. I ricercatori hanno preparato il sistema in uno stato fuori equilibrio e hanno seguito come cambiava nel tempo, rilevando la comparsa di cariche effettive e ricostruendo la dinamica associata alla rottura simulata della stringa. Per verificare i risultati, il team ha anche modellato lo stesso processo su un computer classico, e i calcoli classici concordavano con i risultati sperimentali del simulatore quantistico.

Per simulazioni su questa scala relativamente piccola, i computer classici possono ancora fare i calcoli. I ricercatori prevedono che man mano che gli esperimenti futuri diventeranno più grandi e più complessi, i simulatori quantistici diventeranno sempre più necessari.