Naukowcy z Duke Quantum Center (DQC) wykorzystali symulator kwantowy, aby obserwować dynamikę zrywania struny związaną z tworzeniem par cząstka–antycząstka, co stanowi jedną z pierwszych tego typu demonstracji w fizyce kwantowej. Praca opublikowana 23 września w Nature Physics sugeruje, że komputery kwantowe z uwięzionymi jonami mogą w przyszłości stać się potężnymi narzędziami do badania najgłębszych pytań fizyki fundamentalnej. Eksperyment symulował zrywanie struny: dwa połączone elementy budulcowe materii są rozciągane, aż nagromadzi się wystarczająco dużo energii, że nowe cząstki dosłownie „wyskakują z nicości”, gdy połączenie pęka.

„Symulacje na komputerach kwantowych zapewniają najlepszą platformę do badania złożonych zagadnień, takich jak powstawanie materii, jeśli nie mieliśmy okazji być świadkami samego Wielkiego Wybuchu” – powiedział Christopher Monroe, Gilhuly Family Presidential Distinguished Professor of Electrical and Computer Engineering and Physics na Duke University, który kierował badaniami. „Te wyniki oznaczają wyraźny postęp w dziedzinie nauk kwantowych i otwierają nowe drogi do zrozumienia dynamiki zrywania strun”.

Badanie było międzynarodową współpracą obejmującą naukowców z University of Maryland (UMD), Oxford University, California Institute of Technology, Cornell University i KU Leuven. Wyniki ukazują się obok dwóch innych niedawno opublikowanych badań prowadzonych przez niezależne zespoły, które odtworzyły podobną fizykę przy użyciu innego sprzętu do obliczeń kwantowych.

Kwarki należą do najbardziej fundamentalnych znanych elementów budulcowych materii. Żyją wewnątrz cząstek takich jak protony i neutrony i są około miliard razy mniejsze od atomu. Naukowcy nie mogą obecnie bezpośrednio obserwować izolowanych kwarków, ponieważ normalnie pozostają one ściśle związane. Wyobraź sobie dwie maleńkie naładowane cząstki połączone mocno napiętą struną: im dalej je od siebie odciągniemy, tym więcej energii zmagazynowanej jest w połączeniu. W końcu może nagromadzić się wystarczająco dużo energii, aby wytworzyć dodatkowe naładowane cząstki – ponieważ masa i energia są powiązane słynnym równaniem Einsteina E=mc². Zamiast zakończyć się jedną rozdzieloną parą, pierwotne połączenie pęka i powstają nowe pary cząstek. Takie procesy wymagają ogromnej energii i normalnie zachodzą tylko w ekstremalnych warunkach, jak te wewnątrz Wielkiego Zderzacza Hadronów lub te, które według przypuszczeń istniały wkrótce po Wielkim Wybuchu.

W nowym eksperymencie zespół kierowany przez Duke odtworzył analogiczne zachowanie zrywania struny przy użyciu platformy kwantowej z uwięzionymi jonami. Symulatory kwantowe są tu szczególnie przydatne, ponieważ badacze mogą precyzyjnie je kontrolować i programować, aby naśladowały procesy w skalach atomowych i subatomowych.

„Praca na przecięciu symulacji kwantowych i fizyki wysokich energii jest niezwykle ekscytująca” – powiedział Arinjoy De, pierwszy autor artykułu, były doktorant w laboratorium Monroe'a, a obecnie production machine lead w QuEra Computing. „Symulując uwięzienie kwarków i zjawiska zrywania strun w kontrolowanym środowisku laboratoryjnym, otwieramy nowe ścieżki do eksperymentalnych badań nad zachowaniem materii na jej najbardziej fundamentalnym poziomie”.

Aby zbudować symulację, badacze zakodowali model zrywania struny w łańcuchu 13 uwięzionych jonów. Starannie kontrolowane wiązki laserowe regulowały wzajemne oddziaływania jonów. Te oddziaływania pozwoliły zespołowi kontrolować energię układu w sposób, który odtwarzał rozciąganie i ostateczne zerwanie cząstkopodobnej struny. Badacze przygotowali układ w stanie poza równowagą i śledzili, jak zmienia się w czasie, wykrywając pojawienie się efektywnych ładunków i rekonstruując dynamikę związaną z symulowanym zrywaniem struny. Aby zweryfikować wyniki, zespół zamodelował ten sam proces również na komputerze klasycznym, a obliczenia klasyczne zgadzały się z wynikami eksperymentalnymi symulatora kwantowego.

W przypadku symulacji w tej stosunkowo niewielkiej skali komputery klasyczne wciąż potrafią wykonać obliczenia. Badacze oczekują, że w miarę jak przyszłe eksperymenty będą większe i bardziej złożone...