Duke Kuantum Merkezi'ndeki (DQC) araştırmacılar, parçacık-karşıparçacık oluşumuyla bağlantılı sicim kopma dinamiklerini izlemek için bir kuantum simülatörü kullandılar ve bu, kuantum fiziğinde türünün en erken gösterimlerinden biri oldu. 23 Eylül'de Nature Physics'te yayımlanan çalışma, tuzaklanmış iyon kuantum bilgisayarlarının zamanla temel fiziğin en derin sorularını araştırmak için güçlü araçlar olarak hizmet edebileceğini öne sürüyor. Deney, sicim kopmasını simüle etti: birbirine bağlı iki madde yapı taşı, bağlantı koptuğunda yeni parçacıkların etkili bir şekilde "var olması" için yeterli enerji birikene kadar birbirinden ayrıldı.

Duke'ta Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği ve Fizik Gilhuly Family Presidential Distinguished Profesörü olan ve araştırmayı yöneten Christopher Monroe, "Kuantum bilgisayar simülasyonları, Büyük Patlama'ya bizzat tanık olmak dışında, madde oluşumu gibi karmaşık soruları araştırmak için en iyi platformu sağlıyor" dedi. "Bu bulgular, kuantum bilimi alanında belirgin bir gelişmeye işaret ediyor ve sicim kopma dinamiklerini anlamamız için yeni yollar açıyor."

Çalışma, Maryland Üniversitesi (UMD), Oxford Üniversitesi, California Teknoloji Enstitüsü, Cornell Üniversitesi ve KU Leuven'den araştırmacıların yer aldığı uluslararası bir işbirliğiydi. Bulgular, benzer fiziği farklı kuantum bilişim donanımları kullanarak yeniden üreten iki ayrı ekibin yakın zamanda yayımlanmış iki çalışmasıyla birlikte yayımlandı.

Kuarklar, bilinen en temel madde yapı taşları arasındadır. Proton ve nötron gibi parçacıkların içinde yaşarlar ve bir atomdan kabaca bir milyar kat daha küçüktürler. Bilim insanları şu anda izole kuarkları doğrudan gözlemleyemiyor çünkü kuarklar normalde sıkıca birbirine bağlı kalır. Sıkıca gerilmiş bir sicimle birbirine bağlanmış iki küçük yüklü parçacık hayal edin: birbirlerinden ne kadar uzağa çekilirlerse, bağlantıda o kadar fazla enerji depolanır. Sonunda, ek yüklü parçacıklar yaratmak için yeterli enerji birikebilir - çünkü kütle ve enerji Einstein'ın ünlü E=mc2 denklemiyle ilişkilidir. Bir ayrılmış çiftle sonuçlanmak yerine, orijinal bağlantı kopar ve yeni parçacık çiftleri oluşur. Bu tür süreçler muazzam enerji gerektirir ve normalde yalnızca Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nın içindeki gibi veya Büyük Patlama'dan kısa bir süre sonra var olduğuna inanılan aşırı koşullar altında meydana gelir.

Yeni deneyde, Duke liderliğindeki ekip, tuzaklanmış iyon kuantum platformu kullanarak benzer sicim kopma davranışını yeniden üretti. Kuantum simülatörleri burada özellikle kullanışlıdır çünkü araştırmacılar atomik ve atom altı ölçeklerdeki süreçleri taklit etmek için onları hassas bir şekilde kontrol edip programlayabilirler.

Makalenin ilk yazarı, Monroe'nun laboratuvarında eski doktora öğrencisi ve şu anda QuEra Computing'de üretim makinesi lideri olan Arinjoy De, "Kuantum simülasyonu ve yüksek enerji fiziğinin kesişiminde çalışmak inanılmaz heyecan verici" dedi. "Kuark hapsi ve sicim kopması olaylarını kontrollü bir laboratuvar ortamında simüle ederek, maddenin en temel düzeydeki davranışına yönelik deneysel araştırmalar için yeni yollar açıyoruz."

Simülasyonu oluşturmak için araştırmacılar, 13 tuzaklanmış iyondan oluşan bir zincire bir sicim kopma modeli kodladılar. Dikkatle kontrol edilen lazer ışınları, iyonların birbirleriyle nasıl etkileşime girdiğini ayarladı. Bu etkileşimler, ekibin sistemin enerjisini parçacık benzeri bir sicimin gerilmesini ve sonunda kopmasını yeniden üretecek şekilde kontrol etmesini sağladı. Araştırmacılar sistemi dengesiz bir durumda hazırladılar ve zamanla nasıl değiştiğini izlediler, etkili yüklerin ortaya çıkışını tespit ettiler ve simüle edilen sicim kopmasıyla ilişkili dinamikleri yeniden yapılandırdılar. Sonuçları kontrol etmek için ekip aynı süreci klasik bir bilgisayarda da modelledi ve klasik hesaplamalar kuantum simülatörünün deneysel sonuçlarıyla uyuştu.

Bu nispeten küçük ölçekteki simülasyonlar için klasik bilgisayarlar hâlâ hesaplamayı yapabilir. Araştırmacılar, gelecekteki deneyler büyüdükçe ve daha karmaşık hale geldikçe, kuantum simülatörlerinin gerekli hale geleceğini ve klasik makinelerin yetersiz kalacağını umuyor.