Исследовательская группа Duke Quantum Center применила квантовый симулятор для изучения динамики разрыва струн, связанной с образованием пар частица-античастица. Этот эксперимент стал одной из первых подобных демонстраций в квантовой физике.

Работа, опубликованная 23 сентября в журнале Nature Physics, показала, что ионные квантовые компьютеры могут использоваться для исследования фундаментальных физических процессов. В ходе эксперимента была смоделирована ситуация, при которой два связанных элемента материи удаляются друг от друга до накопления достаточной энергии для образования новых частиц при разрыве связи. Квантовые симуляции предоставляют эффективную платформу для изучения сложных явлений, таких как формирование материи, которые невозможно наблюдать напрямую, например, в условиях Большого взрыва. Полученные результаты свидетельствуют о значительном прогрессе в квантовой науке и открывают новые возможности для изучения динамики разрыва струн.

Исследование проводилось международной командой, в которую вошли специалисты из Университета Мэриленда, Оксфордского университета, Калифорнийского технологического института, Корнеллского университета и KU Leuven. Результаты опубликованы наряду с другими недавними работами, где аналогичные физические процессы были воспроизведены с использованием различных типов квантовых вычислительных устройств.

Кварки являются одними из основных строительных блоков материи и находятся внутри протонов и нейтронов, их размеры примерно в миллиард раз меньше атома. В настоящее время изолированные кварки не удаётся наблюдать напрямую, поскольку они обычно остаются плотно связанными друг с другом.

Связь между кварками можно представить как две заряжённые частицы, соединённые натянутой струной. При увеличении расстояния между ними энергия в этой связи возрастает. В определённый момент накопленной энергии становится достаточно для образования дополнительных заряжённых частиц, что объясняется уравнением Эйнштейна E=mc². В результате разрыва исходной связи формируются новые пары частиц. Такие процессы требуют значительных энергий и происходят только при экстремальных условиях, например, внутри Большого адронного коллайдера или в первые моменты после Большого взрыва.

В новом эксперименте команда Duke воспроизвела аналогичное поведение разрыва струны с помощью платформы на ионах в ловушке. Квантовые симуляторы позволяют точно управлять системой и программировать её для имитации физических процессов на атомном и субатомном уровнях.

Для проведения симуляции была закодирована модель разрыва струны в цепочке из 13 ионов в ловушке. Управляемые лазерные лучи использовались для настройки взаимодействий между ионами, что позволило контролировать энергию системы и воспроизвести растяжение и последующий разрыв "струны" частицы.

Система была подготовлена в неравновесном состоянии, после чего отслеживалась её эволюция во времени. Это позволило зафиксировать появление эффективных зарядов и восстановить динамику, связанную с процессом разрыва струны в симуляции.

Для проверки результатов команда также смоделировала тот же процесс на классическом компьютере. Классические вычисления совпали с экспериментальными данными, полученными на квантовом симуляторе. На текущем уровне сложности классические компьютеры справляются с такими задачами, однако ожидается, что с увеличением масштабов экспериментов квантовые компьютеры смогут решать задачи, недоступные для классических машин.

Другие исследовательские группы недавно достигли схожих результатов, используя различные типы квантового оборудования. Команды Google и QuEra Computing воспроизвели аналогичные модели разрыва струн с помощью сверхпроводящих схем и нейтральных атомов соответственно. Каждый подход обладает своими преимуществами и ограничениями.

Результаты с ионами в ловушке представляют собой ещё один шаг к квантовым симуляциям, которые будут слишком сложны даже для самых мощных современных суперкомпьютеров. При дальнейшем масштабировании квантовые системы смогут использоваться для изучения процессов, которые трудно или невозможно воспроизвести в лабораторных условиях, включая поведение материи вскоре после Большого взрыва.

Даже небольшие открытия, полученные из моделей неравновесной физики, могут в будущем способствовать более глубокому пониманию условий ранней Вселенной.