Исследователи из Центра квантовых исследований Университета Дьюка (Duke Quantum Center) смогли воспроизвести процесс нарушения струны — явление из физики элементарных частиц — с помощью квантового симулятора, собранного из 13 захваченных ионов. Работа опубликована 23 сентября в журнале Nature Physics. Полученные данные помогают приблизиться к пониманию условий, существовавших сразу после Большого взрыва.
Кварки являются фундаментальными частицами материи, но в свободном виде они не встречаются. Внутри протонов и нейтронов пары кварков ведут себя так, будто их соединяет натянутая струна. Чтобы разорвать эту связь, требуется огромная энергия, и в момент разрыва накопленная энергия превращается в новые частицы. Такой процесс, называемый нарушением струны, обычно наблюдается только в экстремальных условиях, например на Большом адронном коллайдере.
В эксперименте лазерные лучи точно направлялись на ионы, регулируя взаимодействия между ними. Это позволило имитировать накопление энергии, возникающее при растяжении связи между кварками. Когда в модели появлялись новые частицы и струна разрывалась, на месте одной пары оставались две или более. Исследователи отслеживали появление эффективных зарядов — элементов модели, представляющих заряженные частицы, и восстанавливали динамику струны.
«Работа на стыке квантового моделирования и физики высоких энергий невероятно захватывает, — приводит слова первого автора статьи Аринджоя Де, бывшего докторанта лаборатории Кристофера Монро, сайт SciTechDaily. — Моделируя конфайнмент кварков и явления нарушения струны в контролируемой лабораторной среде, мы открываем новые пути для экспериментальных исследований поведения материи на самом фундаментальном уровне».
Результаты симуляции проверили, запустив ту же модель на классическом компьютере. Совпадение расчётов и эксперимента подтвердило, что квантовый симулятор точно воспроизвёл модель в протестированном масштабе. Следующая задача — расширить симуляции до задач, которые слишком сложны для классических компьютеров, включая самые мощные суперкомпьютеры.
В коллаборацию под руководством Университета Дьюка вошли исследователи из Мэрилендского университета, Оксфордского университета, Калифорнийского технологического института, Корнеллского университета и KU Leuven. Аналогичные результаты были получены в двух других работах, где нарушение струны воспроизвели на сверхпроводящих схемах и нейтральных атомах. По словам руководителя исследования Кристофера Монро, эти три платформы лидируют в области квантовых вычислений, а совпадение результатов служит полезным ориентиром для всего научного сообщества.