Pesquisadores do Duke Quantum Center (DQC) usaram um simulador quântico para observar a dinâmica de quebra de cordas ligada à formação de partícula-antipartícula, marcando uma das primeiras demonstrações do tipo na física quântica. O trabalho, publicado em 23 de setembro na Nature Physics, sugere que computadores quânticos de íons aprisionados podem eventualmente servir como ferramentas poderosas para investigar as questões mais profundas da física fundamental. O experimento simulou a quebra de cordas: dois blocos constituintes da matéria conectados são separados até que energia suficiente se acumule para que novas partículas efetivamente "surjam do nada" quando a conexão se rompe.

"Simulações em computadores quânticos fornecem a melhor plataforma para investigar questões complexas como a formação de matéria, a menos que tenhamos testemunhado o próprio Big Bang", disse Christopher Monroe, Professor Presidencial Distinguido da Família Gilhuly de Engenharia Elétrica e da Computação e Física na Duke, que liderou a pesquisa. "Esses achados sinalizam um desenvolvimento marcante no campo da ciência quântica e abrem novos caminhos para entendermos a dinâmica de quebra de cordas."

O estudo foi uma colaboração internacional incluindo pesquisadores da Universidade de Maryland (UMD), Universidade de Oxford, Instituto de Tecnologia da Califórnia, Universidade Cornell e KU Leuven. Os achados aparecem ao lado de dois outros estudos publicados recentemente por equipes separadas que reproduziram física semelhante usando hardware de computação quântica diferente.

Quarks estão entre os blocos constituintes mais fundamentais conhecidos da matéria. Eles vivem dentro de partículas como prótons e nêutrons e são cerca de um bilhão de vezes menores que um átomo. Cientistas atualmente não podem observar quarks isolados diretamente porque os quarks normalmente permanecem fortemente ligados juntos. Imagine duas minúsculas partículas carregadas conectadas por uma corda esticada: quanto mais separadas são puxadas, mais energia é armazenada na conexão. Eventualmente, energia suficiente pode se acumular para criar partículas carregadas adicionais - porque massa e energia estão relacionadas através do famoso E=mc2 de Einstein. Em vez de terminar com um par separado, a conexão original se rompe e novos pares de partículas se formam. Tais processos requerem energia enorme e normalmente ocorrem apenas sob condições extremas, como aquelas dentro do Grande Colisor de Hádrons ou as que se acredita terem existido logo após o Big Bang.

No novo experimento, a equipe liderada por Duke reproduziu comportamento análogo de quebra de cordas usando uma plataforma quântica de íons aprisionados. Simuladores quânticos são especialmente úteis aqui porque os pesquisadores podem controlá-los e programá-los com precisão para imitar processos em escalas atômica e subatômica.

"Trabalhar na interseção da simulação quântica e da física de altas energias é incrivelmente emocionante", disse Arinjoy De, primeiro autor do artigo, ex-aluno de doutorado no laboratório de Monroe e agora líder de máquina de produção na QuEra Computing. "Ao simular o confinamento de quarks e fenômenos de quebra de cordas em um ambiente de laboratório controlado, estamos abrindo novos caminhos para investigações experimentais sobre o comportamento da matéria em seu nível mais fundamental."

Para construir a simulação, os pesquisadores codificaram um modelo de quebra de cordas em uma cadeia de 13 íons aprisionados. Feixes de laser cuidadosamente controlados ajustaram como os íons interagiam uns com os outros. Essas interações permitiram à equipe controlar a energia do sistema de uma maneira que reproduziu o estiramento e eventual quebra de uma corda semelhante a uma partícula. Os pesquisadores prepararam o sistema em um estado fora do equilíbrio e acompanharam como ele mudava ao longo do tempo, detectando o aparecimento de cargas efetivas e reconstruindo a dinâmica associada à quebra de cordas simulada. Para verificar os resultados, a equipe também modelou o mesmo processo em um computador clássico, e os cálculos clássicos concordaram com os resultados experimentais do simulador quântico.

Para simulações nessa escala relativamente pequena, computadores clássicos ainda podem fazer as contas. Os pesquisadores esperam que, à medida que experimentos futuros crescerem e se tornarem mais complexos, os simuladores quânticos se tornem indispensáveis.