Исследователи из Квантового центра Дьюка (DQC) использовали квантовый симулятор, чтобы наблюдать динамику разрыва струны, связанную с образованием частиц и античастиц, что стало одной из первых подобных демонстраций в квантовой физике. Работа, опубликованная 23 сентября в Nature Physics, позволяет предположить, что квантовые компьютеры на ионах в ловушках в конечном итоге могут стать мощными инструментами для изучения глубочайших вопросов фундаментальной физики. Эксперимент смоделировал разрыв струны: два связанных строительных блока материи раздвигаются до тех пор, пока не накопится достаточно энергии, чтобы при разрыве связи новые частицы буквально «возникли из ниоткуда».

«Квантовые компьютерные симуляции предоставляют лучшую платформу для исследования сложных вопросов, таких как образование материи, если только вы не были свидетелем самого Большого взрыва», — сказал Кристофер Монро, президентский выдающийся профессор электротехники и вычислительной техники и физики имени семьи Гилхули в Университете Дьюка, руководивший исследованием. «Эти результаты знаменуют заметный прогресс в области квантовой науки и открывают новые пути для понимания динамики разрыва струн».

Исследование было международным сотрудничеством с участием исследователей из Мэрилендского университета (UMD), Оксфордского университета, Калифорнийского технологического института, Корнеллского университета и KU Leuven. Результаты публикуются вместе с двумя другими недавно опубликованными исследованиями отдельных групп, которые воспроизвели аналогичную физику с использованием различного квантового аппаратного обеспечения.

Кварки — одни из самых фундаментальных известных строительных блоков материи. Они живут внутри таких частиц, как протоны и нейтроны, и примерно в миллиард раз меньше атома. Учёные в настоящее время не могут напрямую наблюдать изолированные кварки, поскольку кварки обычно остаются тесно связанными. Представьте две крошечные заряженные частицы, соединённые туго натянутой струной: чем дальше их раздвигают, тем больше энергии запасается в связи. В конце концов, может накопиться достаточно энергии для создания дополнительных заряженных частиц — потому что масса и энергия связаны через знаменитое уравнение Эйнштейна E=mc². Вместо того чтобы закончиться одной разделённой парой, исходная связь разрывается, и образуются новые пары частиц. Такие процессы требуют огромной энергии и обычно происходят только в экстремальных условиях, подобных тем, что внутри Большого адронного коллайдера, или тем, что, как считается, существовали вскоре после Большого взрыва.

В новом эксперименте команда под руководством Дьюка воспроизвела аналогичное поведение разрыва струны с использованием квантовой платформы на ионах в ловушке. Квантовые симуляторы особенно полезны здесь, потому что исследователи могут точно контролировать и программировать их для имитации процессов на атомных и субатомных масштабах.

«Работа на стыке квантового моделирования и физики высоких энергий невероятно захватывающа», — сказал Аринджой Де, первый автор статьи, бывший аспирант лаборатории Монро, а ныне ведущий специалист по производственным машинам в QuEra Computing. «Симулируя конфайнмент кварков и явления разрыва струн в контролируемой лабораторной среде, мы открываем новые пути для экспериментальных исследований поведения материи на самом фундаментальном уровне».

Чтобы построить симуляцию, исследователи закодировали модель разрыва струны в цепочку из 13 ионов в ловушке. Тщательно контролируемые лазерные лучи регулировали взаимодействие ионов друг с другом. Эти взаимодействия позволили команде управлять энергией системы таким образом, чтобы воспроизвести растяжение и eventual разрыв частицеподобной струны. Исследователи подготовили систему в неравновесном состоянии и проследили, как она меняется со временем, обнаружив появление эффективных зарядов и реконструировав динамику, связанную с моделируемым разрывом струны. Чтобы проверить результаты, команда также смоделировала тот же процесс на классическом компьютере, и классические расчёты совпали с экспериментальными результатами квантового симулятора.

Для симуляций в этом относительно небольшом масштабе классические компьютеры всё ещё могут выполнить математику. Исследователи ожидают, что по мере роста будущих экспериментов и увеличения их сложности...