デューク量子センター（DQC）の研究者たちは、量子シミュレータを使って、粒子と反粒子の生成に関連するストリング破断ダイナミクスを観測した。これは量子物理学におけるこの種の初期の実証の一つである。9月23日に『Nature Physics』に掲載されたこの研究は、トラップイオン量子コンピュータが最終的に基礎物理学の最深部の問いを探る強力なツールとなり得ることを示唆している。実験ではストリング破断がシミュレートされた。つまり、つながった二つの物質の構成要素を引き離していくと、エネルギーが蓄積され、つながりが切れた瞬間に新しい粒子が事実上「出現」するのである。

「量子コンピュータシミュレーションは、ビッグバンを直接目撃するのでない限り、物質形成のような複雑な問題を研究するための最良のプラットフォームを提供します」と、研究を率いたデューク大学の電気・コンピュータ工学および物理学のギルフリー・ファミリー特別教授、クリストファー・モンローは述べた。「これらの発見は量子科学分野における顕著な進展を示し、ストリング破断ダイナミクスを理解するための新たな道を開くものです」

この研究は、メリーランド大学（UMD）、オックスフォード大学、カリフォルニア工科大学、コーネル大学、KUルーヴェンからの研究者を含む国際共同研究であった。この発見は、異なる量子コンピューティングハードウェアを用いて同様の物理を再現した、別のチームによる最近発表された二つの研究と並んで掲載されている。

クォークは、知られている中で最も基本的な物質の構成要素の一つである。それらは陽子や中性子のような粒子の内部に存在し、原子よりも約10億倍小さい。クォークは通常、強く結合したままでいるため、科学者は現在、孤立したクォークを直接観測することはできない。二つの小さな荷電粒子が、ぴんと張ったひもでつながっているところを想像してほしい。引き離せば離すほど、つながりに蓄えられるエネルギーは大きくなる。最終的に、アインシュタインの有名なE=mc²によって質量とエネルギーが関係しているため、新たな荷電粒子を生成するのに十分なエネルギーが蓄積され得る。一対の粒子が引き離されて終わるのではなく、元のつながりが切れて、新たな粒子対が形成されるのである。このような過程には膨大なエネルギーが必要で、通常は大型ハドロン衝突型加速器の内部のような極限状態、あるいはビッグバン直後に存在したと考えられる状態でのみ起こる。

新しい実験では、デューク大学が率いるチームが、トラップイオン量子プラットフォームを用いて類似のストリング破断挙動を再現した。量子シミュレータは、研究者が原子・亜原子スケールの過程を模倣するように精密に制御・プログラムできるため、ここでは特に有用である。

「量子シミュレーションと高エネルギー物理学の交差点で研究することは信じられないほど刺激的です」と、論文の筆頭著者で、モンローの研究室の元博士課程学生であり、現在はQuEra Computingのプロダクションマシンリードを務めるアリンジョイ・デは述べた。「クォークの閉じ込めとストリング破断現象を制御された実験環境でシミュレートすることで、物質の最も基本的なレベルでの振る舞いに対する実験的調査への新たな道を切り開いています」

シミュレーションを構築するために、研究者たちは13個のトラップイオンの鎖にストリング破断モデルをエンコードした。注意深く制御されたレーザービームが、イオン同士の相互作用を調整した。これらの相互作用により、チームは系のエネルギーを制御し、粒子のようなストリングの伸長と最終的な破断を再現した。研究者たちは系を非平衡状態に準備し、その時間変化を追跡し、有効電荷の出現を検出し、シミュレートされたストリング破断に関連するダイナミクスを再構成した。結果を確認するために、チームは同じ過程を古典コンピュータ上でもモデル化し、古典計算は量子シミュレータの実験結果と一致した。

この比較的小規模なシミュレーションでは、古典コンピュータでもまだ計算は可能である。研究者たちは、将来の実験がより大規模で複雑になるにつれて、量子シミュレータが不可欠になると予想している。