Onderzoekers van het Duke Quantum Center (DQC) hebben een kwantumsimulator gebruikt om de dynamica van snaarbreking te observeren die verband houdt met de vorming van deeltjes en antideeltjes. Dit is een van de vroegste demonstraties van zijn soort in de kwantumfysica. Het werk, gepubliceerd op 23 september in Nature Physics, suggereert dat kwantumcomputers met gevangen ionen uiteindelijk krachtige instrumenten kunnen worden om de diepste vragen in de fundamentele fysica te onderzoeken. Het experiment simuleerde snaarbreking: twee verbonden bouwstenen van materie worden uit elkaar getrokken totdat er genoeg energie is opgehoopt dat nieuwe deeltjes effectief 'ontstaan' wanneer de verbinding breekt.

'Kwantumcomputersimulaties bieden het beste platform om complexe vragen zoals materievorming te onderzoeken, tenzij we de oerknal zelf hebben meegemaakt,' zei Christopher Monroe, de Gilhuly Family Presidential Distinguished Professor of Electrical and Computer Engineering and Physics aan Duke, die het onderzoek leidde. 'Deze bevindingen wijzen op een duidelijke ontwikkeling in het vakgebied van de kwantumwetenschap en openen nieuwe wegen voor ons om de dynamica van snaarbreking te begrijpen.'

De studie was een internationale samenwerking met onderzoekers van de University of Maryland (UMD), Oxford University, California Institute of Technology, Cornell University en KU Leuven. De bevindingen verschijnen naast twee andere recent gepubliceerde studies van afzonderlijke teams die vergelijkbare fysica reproduceerden met andere kwantumcomputinghardware.

Quarks behoren tot de meest fundamentele bekende bouwstenen van materie. Ze leven in deeltjes zoals protonen en neutronen en zijn ongeveer een miljard keer kleiner dan een atoom. Wetenschappers kunnen geïsoleerde quarks momenteel niet direct observeren, omdat quarks normaal gesproken stevig aan elkaar gebonden blijven. Stel je twee kleine geladen deeltjes voor die verbonden zijn door een strak gespannen snaar: hoe verder ze uit elkaar worden getrokken, hoe meer energie er in de verbinding wordt opgeslagen. Uiteindelijk kan er genoeg energie worden opgehoopt om extra geladen deeltjes te creëren - omdat massa en energie gerelateerd zijn via Einsteins beroemde E=mc2. In plaats van te eindigen met één gescheiden paar, breekt de oorspronkelijke verbinding en vormen zich nieuwe deeltjesparen. Dergelijke processen vereisen enorme energie en komen normaal gesproken alleen voor onder extreme omstandigheden, zoals in de Large Hadron Collider of zoals die naar verluidt kort na de oerknal bestonden.

In het nieuwe experiment reproduceerde het door Duke geleide team analoog snaarbrekingsgedrag met behulp van een kwantumplatform met gevangen ionen. Kwantumsimulators zijn hier bijzonder nuttig omdat onderzoekers ze nauwkeurig kunnen besturen en programmeren om processen op atomair en subatomair niveau na te bootsen.

'Werken op het snijvlak van kwantumsimulatie en hoge-energiefysica is ongelooflijk spannend,' zei Arinjoy De, eerste auteur van het artikel, voormalig promovendus in het lab van Monroe en nu productiemachineleider bij QuEra Computing. 'Door quarkconfinement en snaarbrekingsfenomenen in een gecontroleerde laboratoriumomgeving te simuleren, openen we nieuwe wegen voor experimenteel onderzoek naar het gedrag van materie op het meest fundamentele niveau.'

Om de simulatie te bouwen, codeerden de onderzoekers een snaarbrekingsmodel in een keten van 13 gevangen ionen. Zorgvuldig gecontroleerde laserbundels pasten aan hoe de ionen met elkaar omgingen. Die interacties stelden het team in staat de energie van het systeem te controleren op een manier die het strekken en uiteindelijk breken van een deeltjesachtige snaar reproduceerde. De onderzoekers bereidden het systeem voor in een niet-evenwichtstoestand en volgden hoe het in de tijd veranderde, waarbij ze het verschijnen van effectieve ladingen detecteerden en de dynamica reconstrueerden die verband houdt met de gesimuleerde snaarbreking. Om de resultaten te controleren, modelleerden het team hetzelfde proces ook op een klassieke computer, en de klassieke berekeningen kwamen overeen met de experimentele resultaten van de kwantumsimulator.

Voor simulaties op deze relatief kleine schaal kunnen klassieke computers de wiskunde nog steeds aan. De onderzoekers verwachten dat naarmate toekomstige experimenten groter en complexer worden, kwantumsimulators onmisbaar zullen worden.