Квантовый симулятор на 13 ионах воспроизвёл разрыв струны с образованием частиц

Исследователи из Центра квантовых технологий Дьюкского университета впервые зафиксировали на квантовом симуляторе процесс разрыва струны, связанный с образованием пар частица–античастица. Данные исследования были опубликованы 23 сентября в журнале Nature Physics. Эксперимент продемонстрировал, что квантовые компьютеры, использующие захваченные ионы, могут быть применены для изучения основных процессов в физике. Об этом сообщает портал Science XXI.

Разрыв струны представляет собой модель, описывающую ситуацию, когда связанные элементы материи удаляются друг от друга. При растяжении связи в ней накапливается энергия, и при достижении определённого порога возникают новые частицы. Кристофер Монро, профессор электротехники, вычислительной техники и физики Дьюкского университета, отметил: «Квантовые компьютерные симуляции предоставляют отличную платформу для изучения сложных вопросов, связанных с образованием материи, если не учитывать возможность наблюдения самого Большого взрыва».

Модель основывается на поведении кварков — основных составляющих вещества, входящих в состав протонов и нейтронов. Их размеры примерно в миллиард раз меньше атома, однако в свободном состоянии кварки не наблюдаются, так как обычно остаются прочно связанными. Эту связь можно представить как натянутую струну между двумя заряженными частицами: чем сильнее их раздвигают, тем больше энергии накапливается в системе.

В конечном итоге связь может разорваться, образуя новые пары заряженных частиц, поскольку масса и энергия связаны знаменитым уравнением Эйнштейна E=mc2. Подобные процессы требуют огромных энергий и обычно возможны лишь в условиях, возникающих внутри Большого адронного коллайдера или существовавших вскоре после Большого взрыва. Учёные воспроизвели аналогичную динамику на цепочке из 13 захваченных ионов, управляя их взаимодействием с помощью лазерных импульсов.

Сначала систему вывели из равновесия, а затем отслеживали её изменения во времени. Это позволило выявить эффективные заряды и восстановить процесс смоделированного разрыва струны. Расчёты на классическом компьютере подтвердили результаты эксперимента, хотя для задач такого масштаба обычные вычислительные системы также подходят.

В международную научную группу вошли специалисты из Дьюкского университета, Университета Мэриленда, Оксфордского университета, Калифорнийского технологического института, Корнеллского университета и KU Leuven. Похожие модели недавно воспроизвели команды Google и QuEra Computing, применив сверхпроводящие схемы и нейтральные атомы. Монро отметил: «Это три платформы, которые сейчас лидируют в квантовых вычислениях, поэтому результат стал хорошим ориентиром и возможностью для сравнения в квантовом сообществе».

Авторы ожидают, что с увеличением масштаба экспериментов квантовые компьютеры смогут решать задачи, недоступные классическим машинам. Среди них — изучение поведения материи на ранних этапах существования Вселенной. Участница проекта, доцент физики Университета Мэриленда Зохре Давуди, отметила: «Как физику, мне невероятно интересно исследовать условия ранней Вселенной с помощью вычислительной машины атомного уровня». Исследование поддержали Министерство энергетики США, Национальный научный фонд, Управление научных исследований ВВС США, Агентство передовых оборонных исследовательских проектов и Amazon Web Services.