Cercetătorii de la Centrul Cuantic Duke (DQC) au folosit un simulator cuantic pentru a observa dinamica ruperii corzilor legată de formarea particulelor - antiparticule, marcând una dintre cele mai timpurii demonstrații de acest tip din fizica cuantică. Lucrarea, publicată pe 23 septembrie în Nature Physics, sugerează că computerele cuantice cu ioni prinși ar putea deveni în cele din urmă instrumente puternice pentru sondarea celor mai profunde întrebări din fizica fundamentală. Experimentul a simulat ruperea corzilor: doi constituenți conectați ai materiei sunt trași în direcții opuse până când se acumulează suficientă energie încât particule noi efectiv "apar din neant" atunci când conexiunea se rupe.

"Simulările pe computere cuantice oferă cea mai bună platformă pentru a investiga întrebări complexe precum formarea materiei, în lipsa faptului de a fi asistat la Big Bang-ul însuși", a declarat Christopher Monroe, profesor distins prezidențial al familiei Gilhuly în inginerie electrică și computerizată și fizică la Duke, care a condus cercetarea. "Aceste descoperiri semnalează o dezvoltare marcantă în domeniul științei cuantice și deschid noi căi pentru a înțelege dinamica ruperii corzilor."

Studiul a fost o colaborare internațională incluzând cercetători de la Universitatea Maryland (UMD), Universitatea Oxford, Institutul de Tehnologie din California, Universitatea Cornell și KU Leuven. Descoperirile apar alături de alte două studii publicate recent de echipe separate care au reprodus fizică similară folosind hardware de calcul cuantic diferit.

Quark-urile sunt printre cele mai fundamentale componente cunoscute ale materiei. Ele trăiesc în interiorul particulelor precum protonii și neutronii și sunt de aproximativ un miliard de ori mai mici decât un atom. Oamenii de știință nu pot observa în prezent quark-uri izolate direct, deoarece quark-urile rămân în mod normal strâns legate împreună. Imaginați-vă două particule încărcate minuscule conectate printr-o coardă strâns întinsă: cu cât sunt trase mai departe una de cealaltă, cu atât mai multă energie este stocată în conexiune. În cele din urmă, se poate acumula suficientă energie pentru a crea particule încărcate suplimentare - deoarece masa și energia sunt legate prin faimoasa ecuație a lui Einstein E=mc2. În loc să se termine cu o pereche separată, conexiunea originală se rupe și se formează noi perechi de particule. Astfel de procese necesită energie enormă și apar în mod normal doar în condiții extreme, precum cele din interiorul Marelui Accelerator de Hadroni sau cele despre care se crede că au existat la scurt timp după Big Bang.

În noul experiment, echipa condusă de Duke a reprodus comportamentul analog de rupere a corzilor folosind o platformă cuantică cu ioni prinși. Simulatoarele cuantice sunt deosebit de utile aici deoarece cercetătorii le pot controla și programa cu precizie pentru a imita procese la scări atomice și subatomice.

"Lucrul la intersecția dintre simularea cuantică și fizica energiilor înalte este incredibil de captivant", a declarat Arinjoy De, primul autor al lucrării, fost student doctorand în laboratorul lui Monroe și acum lider de mașină de producție la QuEra Computing. "Simulând confinarea quark-urilor și fenomenele de rupere a corzilor într-un mediu de laborator controlat, deschidem noi căi pentru investigații experimentale asupra comportamentului materiei la cel mai fundamental nivel al său."

Pentru a construi simularea, cercetătorii au codificat un model de rupere a corzilor într-un lanț de 13 ioni prinși. Fascicule laser controlate cu atenție au ajustat modul în care ionii interacționau unii cu alții. Acele interacțiuni au permis echipei să controleze energia sistemului într-un mod care a reprodus întinderea și eventuala rupere a unei corzi asemănătoare particulelor. Cercetătorii au pregătit sistemul într-o stare de neechilibru și au urmărit cum s-a schimbat în timp, detectând apariția sarcinilor efective și reconstruind dinamica asociată cu ruperea simulată a corzilor. Pentru a verifica rezultatele, echipa a modelat același proces și pe un computer clasic, iar calculele clasice au fost de acord cu rezultatele experimentale ale simulatorului cuantic.

Pentru simulări la această scară relativ mică, computerele clasice pot încă face calculele. Cercetătorii se așteaptă ca pe măsură ce experimentele viitoare devin mai mari și mai complexe