杜克大学量子中心（DQC）的研究人员利用量子模拟器观测了与粒子-反粒子形成相关的弦断裂动力学，这标志着量子物理学领域此类最早期的演示之一。这项于9月23日发表在《自然·物理学》上的研究表明，囚禁离子量子计算机最终可能成为探测基础物理学中最深层问题的强大工具。该实验模拟了弦断裂：两个相连的物质基本单元被拉开，直到积累足够能量，当连接断裂时，新粒子实际上“从虚无中迸现”。

“量子计算机模拟提供了最佳平台来研究物质形成等复杂问题，除非我们亲眼目睹了宇宙大爆炸本身，”杜克大学电子与计算机工程及物理学Gilhuly家族总统杰出教授克里斯托弗·门罗说道，他领导了这项研究。“这些发现标志着量子科学领域的显著进展，并为我们理解弦断裂动力学开辟了新途径。”

这项研究是一项国际合作，包括来自马里兰大学（UMD）、牛津大学、加州理工学院、康奈尔大学和鲁汶大学的研究人员。该发现与另外两个最近发表的、来自不同团队的研究同时出现，后者使用不同的量子计算硬件重现了类似的物理现象。

夸克是已知物质最基本的组成部分之一。它们存在于质子和中子等粒子内部，比原子大约小十亿倍。科学家目前无法直接观测孤立的夸克，因为夸克通常紧密地束缚在一起。想象两个微小的带电粒子由一根绷紧的弦连接：它们被拉得越远，连接中储存的能量就越多。最终，可以积累足够的能量来产生额外的带电粒子——因为质量和能量通过爱因斯坦著名的E=mc²相关联。原始连接不会以一对分离的粒子告终，而是断裂并形成新的粒子对。此类过程需要巨大的能量，通常只在极端条件下发生，比如大型强子对撞机内部的条件，或被认为存在于宇宙大爆炸后不久的条件。

在新实验中，杜克大学领导的团队使用囚禁离子量子平台重现了类似的弦断裂行为。量子模拟器在这里特别有用，因为研究人员可以精确控制和编程它们，以模仿原子和亚原子尺度上的过程。

“在量子模拟和高能物理的交叉领域工作令人无比兴奋，”该论文的第一作者阿林乔伊·德说道，他曾是门罗实验室的博士生，现在是QuEra Computing的生产机器负责人。“通过在受控实验室环境中模拟夸克禁闭和弦断裂现象，我们为实验研究物质在最基本层面的行为开辟了新途径。”

为了构建模拟，研究人员将弦断裂模型编码到一条由13个囚禁离子组成的链中。精心控制的激光束调节了离子之间的相互作用方式。这些相互作用使团队能够以重现类粒子弦的拉伸和最终断裂的方式控制系统能量。研究人员将系统制备成非平衡态，并跟踪其随时间的变化，检测有效电荷的出现，并重建与模拟弦断裂相关的动力学。为了检查结果，团队还在经典计算机上模拟了相同的过程，经典计算与量子模拟器的实验结果一致。

对于这种相对小规模的模拟，经典计算机仍然可以完成计算。研究人员预计，随着未来实验规模更大、更复杂，量子模拟器将变得不可或缺。

“这是量子模拟开始解决粒子物理学中一些最棘手问题的时刻之一，”门罗说。“我们才刚刚开始。”