Forskare vid Duke Quantum Center (DQC) har använt en kvantsimulator för att observera strängbrytningsdynamik kopplad till partikel-antipartikelbildning, vilket markerar en av de tidigaste demonstrationerna av sitt slag inom kvantfysiken. Arbetet, som publicerades den 23 september i Nature Physics, tyder på att fångade joners kvantdatorer så småningom skulle kunna fungera som kraftfulla verktyg för att utforska de djupaste frågorna inom fundamental fysik. Experimentet simulerade strängbrytning: två sammankopplade byggstenar av materia dras isär tills tillräckligt mycket energi ackumuleras för att nya partiklar faktiskt "poppar upp ur intet" när kopplingen brister.

"Kvantdatorsimuleringar erbjuder den bästa plattformen för att undersöka komplexa frågor som materiabildning, med undantag för att ha bevittnat Big Bang själv", säger Christopher Monroe, Gilhuly Family Presidential Distinguished Professor i elektro- och datateknik samt fysik vid Duke, som ledde forskningen. "Dessa resultat signalerar en markant utveckling inom kvantvetenskapen och öppnar nya vägar för oss att förstå strängbrytningsdynamik."

Studien var ett internationellt samarbete med forskare från University of Maryland (UMD), Oxford University, California Institute of Technology, Cornell University och KU Leuven. Resultaten publiceras tillsammans med två andra nyligen publicerade studier från separata team som reproducerade liknande fysik med hjälp av annan kvantdatorhårdvara.

Kvarkar är bland de mest fundamentala kända byggstenarna av materia. De lever inuti partiklar som protoner och neutroner och är ungefär en miljard gånger mindre än en atom. Forskare kan för närvarande inte observera isolerade kvarkar direkt eftersom kvarkar normalt förblir hårt bundna tillsammans. Föreställ dig två små laddade partiklar förbundna med en hårt sträckt sträng: ju längre isär de dras, desto mer energi lagras i förbindelsen. Till slut kan tillräckligt mycket energi ackumuleras för att skapa ytterligare laddade partiklar – eftersom massa och energi är relaterade genom Einsteins berömda E=mc2. Istället för att sluta med ett separerat par, brister den ursprungliga förbindelsen och nya partikelpar bildas. Sådana processer kräver enorma energimängder och inträffar normalt endast under extrema förhållanden, som de inuti Large Hadron Collider eller de som tros ha existerat kort efter Big Bang.

I det nya experimentet reproducerade det Duke-ledda teamet analogt strängbrytningsbeteende med hjälp av en fångade-joner kvantplattform. Kvantsimulatorer är särskilt användbara här eftersom forskare kan styra och programmera dem exakt för att imitera processer på atom- och subatomär skala.

"Att arbeta i skärningspunkten mellan kvantsimulering och högenergifysik är otroligt spännande", säger Arinjoy De, förstaförfattare till artikeln, tidigare doktorand i Monroes labb och nu produktionsmaskinledare på QuEra Computing. "Genom att simulera kvarkinneslutning och strängbrytningsfenomen i en kontrollerad labbmiljö öppnar vi nya vägar för experimentella undersökningar av materiens beteende på dess mest fundamentala nivå."

För att bygga simuleringen kodade forskarna en strängbrytningsmodell i en kedja av 13 fångade joner. Noggrant kontrollerade laserstrålar justerade hur jonerna interagerade med varandra. Dessa interaktioner lät teamet kontrollera systemets energi på ett sätt som reproducerade sträckningen och det eventuella brottet av en partikelliknande sträng. Forskarna förberedde systemet i ett icke-jämviktstillstånd och följde hur det förändrades över tid, upptäckte uppkomsten av effektiva laddningar och rekonstruerade dynamiken associerad med den simulerade strängbrytningen. För att kontrollera resultaten modellerade teamet också samma process på en klassisk dator, och de klassiska beräkningarna stämde överens med kvantsimulatorns experimentella resultat.

För simuleringar i denna relativt lilla skala kan klassiska datorer fortfarande göra matematiken. Forskarna förväntar sig att när framtida experiment blir större och mer komplexa