Исследовательская группа под руководством Квантового центра Дьюка (DQC) с помощью квантового симулятора впервые наблюдала динамику разрыва струны, связанную с образованием пар частиц и античастиц. Работа опубликована 23 сентября в журнале Nature Physics. Эксперимент показал, что квантовые компьютеры на основе ионов в ловушках могут стать мощным инструментом для изучения фундаментальных вопросов физики.
В ходе эксперимента моделировался процесс, известный как разрыв струны. Два связанных элемента материи раздвигали до тех пор, пока накопленная энергия не становилась достаточной для рождения новых частиц в момент разрыва связи. «Квантовые компьютерные симуляции — лучшая платформа для исследования сложных вопросов, таких как образование материи, если мы не можем наблюдать сам Большой взрыв», — заявил Кристофер Монро, профессор электротехники, вычислительной техники и физики Университета Дьюка, руководивший исследованием. По его словам, полученные результаты знаменуют заметный прогресс в области квантовой науки и открывают новые пути для понимания динамики разрыва струн.
Работа выполнена международным коллективом с участием исследователей из Университета Мэриленда (UMD), Оксфордского университета, Калифорнийского технологического института, Корнеллского университета и KU Leuven. Результаты публикуются вместе с двумя другими недавними исследованиями независимых групп, которые воспроизвели аналогичную физику на разных типах квантового оборудования.
Кварки — одни из самых фундаментальных известных строительных блоков материи. Они входят в состав таких частиц, как протоны и нейтроны, и примерно в миллиард раз меньше атома. Наблюдать изолированные кварки напрямую пока невозможно, поскольку в норме они остаются tightly bound (прочно связанными) друг с другом. Это можно представить так: два крошечных заряженных объекта соединены натянутой струной — чем дальше их раздвигают, тем больше энергии запасается в связи между ними. В какой-то момент накопленной энергии хватает для создания дополнительных заряженных частиц, поскольку масса и энергия связаны знаменитым уравнением Эйнштейна E=mc². Вместо одной разъединённой пары исходная связь рвётся и образуются новые пары частиц. Такие процессы требуют огромных затрат энергии и обычно происходят лишь в экстремальных условиях — например, внутри Большого адронного коллайдера или в первые мгновения после Большого взрыва.
В новом эксперименте команда Дьюка воспроизвела аналогичное поведение разрыва струны на квантовой платформе с ионами в ловушке. Квантовые симуляторы особенно удобны для такой работы, поскольку исследователи могут точно управлять ими и программировать их для имитации физических процессов атомного и субатомного масштаба. «Работа на стыке квантового моделирования и физики высоких энергий невероятно увлекательна, — сказал Аринджой Де, первый автор статьи, бывший аспирант лаборатории Монро, а ныне ведущий специалист по производственным машинам в QuEra Computing. — Моделируя удержание кварков и разрыв струны в контролируемых лабораторных условиях, мы открываем новые пути для экспериментального изучения поведения материи на самом фундаментальном уровне». Для создания симуляции исследователи закодировали модель разрыва струны в цепочке из 13 ионов в ловушке, а затем с помощью точно управляемых лазерных лучей настраивали взаимодействие между ионами. Это позволило контролировать энергию системы так, чтобы воспроизвести растяжение и последующий разрыв струноподобной связи между частицами.
Учёные подготовили систему в неравновесном состоянии и отслеживали её изменения во времени. Это дало возможность обнаружить появление эффективных зарядов и восстановить динамику, связанную с моделируемым процессом разрыва струны. Для проверки результатов команда также смоделировала тот же процесс на классическом компьютере — расчёты совпали с экспериментальными данными квантового симулятора. На столь малом масштабе классические машины пока справляются с вычислениями, но исследователи ожидают, что по мере усложнения будущих экспериментов квантовые компьютеры смогут решать те версии задач, которые классическим машинам недоступны. Другие научные группы недавно достигли аналогичных результатов на иных типах квантового оборудования: команды под руководством Google и QuEra Computing воспроизвели родственные модели разрыва струны с использованием сверхпроводящих схем и нейтральных атомов соответственно. «Это три платформы, ведущие квантовые вычисления, так что это хороший ориентир и сравнение для квантового сообщества», — добавил Монро.
Результаты на ионах в ловушке — ещё один шаг к квантовым симуляциям, которые окажутся слишком сложными даже для самых мощных современных суперкомпьютеров. Если квантовые системы продолжат масштабироваться, исследователи смогут изучать вопросы, которые трудно или невозможно воспроизвести напрямую в лаборатории, включая поведение и эволюцию материи в первые мгновения после Большого взрыва. «Как физику, мне невероятно интересно исследовать условия ранней Вселенной на вычислительной машине атомного уровня, — сказала Зохре Давуди, доцент физики Университета Мэриленда, участница исследовательской группы. — Даже малейшие прозрения из модели неравновесной физики направят нас в будущем». Исследование поддержано Министерством энергетики США, Национальным научным фондом, Управлением научных исследований ВВС, DARPA и Amazon Web Services.