Изследователи под ръководството на Квантовия център на Университета Дюк (DQC) използваха квантов симулатор, за да наблюдават динамиката на разкъсването на струна, свързано с образуването на двойки частици и античастици. Това е една от първите подобни демонстрации в квантовата физика.

Работата на учените, публикувана на 23 септември в списанието Nature Physics показва как квантовите компютри, базирани на йонни капани могат да се превърнат в мощни инструменти за изследване на най-дълбоките въпроси на фундаменталната физика. В хода на експеримента е бил моделиран процесът, известен като разкъсване на струна: два свързани градивни елемента на материята се разделят, докато не се натрупа толкова енергия, че при разкъсването на връзката нови частици буквално „възникват от нищото“.

„Квантовите компютърни симулации предоставят най-добрата платформа за изследване на сложни въпроси, като например образуването на материята. Тези резултати бележат значителен напредък в областта на квантовата наука и отварят нови пътища за разбиране на динамиката на разкъсването на струните.“

заяви Кристофър Монро, професор по електротехника, компютърни науки и физика в Университета „Дюк“ и ръководител на изследването Защо кварките не могат просто да бъдат разделени

Кварките са едни от най-фундаменталните известни градивни елементи на материята. Те се намират вътре в частици като протони и неутрони и са приблизително милиард пъти по-малки от атома. Учените все още не могат да наблюдават директно изолирани кварки, тъй като обикновено те остават здраво свързани един с друг. Това може да се представи по следния начин: представете си две миниатюрни заредени частици, свързани с плътно опъната нишка. Колкото повече ги опъват, толкова повече енергия се натрупва във връзката между тях.

В крайна сметка натрупаната енергия става достатъчна за създаването на допълнителни заредени частици. Това е възможно, тъй като масата и енергията са свързани чрез прочутото уравнение E=mc² на Алберт Айнщайн. Вместо една разединена двойка първоначалната връзка се разкъсва и се образуват нови двойки частици. Такива процеси изискват огромни разходи на енергия и обикновено протичат само при екстремни условия – например, вътре в Големия адронен колайдер на ЦЕРН или в първите мигове след Големия взрив.

Възпроизвеждане на разкъсването на струна на квантова машина

В новия си експеримент екипът е възпроизвел поведение, подобно на това на разкъсване на струна с помощта на квантова платформа с йонни капани. Квантовите симулатори са особено полезни за такава работа, тъй като изследователите могат да ги управляват с голяма прецизност и да ги програмират за имитиране на физични процеси, протичащи на атомно и субатомно ниво.

„Работата на границата между квантовото моделиране и физиката на високите енергии е невероятно вълнуваща. Моделирайки конфайнмента на кварките и явленията на скъсване на струни в контролирана лабораторна среда, ние откриваме нови пътища за експериментални изследвания на поведението на материята на най-фундаменталното ниво.“

каза Аринжой Де, първи автор на статията, бивш докторант в лабораторията „Монро“, а понастоящем водещ специалист по производствени машини в QuEra Computing

За да създадат симулацията, изследователите са кодирали модел на разкъсване на струна във верига от 13 йона в капан. След това с помощта на внимателно контролирани лазерни лъчи те са регулирали взаимодействието между йоните. Тези взаимодействия са позволили на екипа да управлява енергията на системата така, че да възпроизведе разтягането и последващото скъсване на струноподобната частица.

Наблюдение на еволюцията на квантовата система

Изследователите са подготвили системата в неравновесно състояние, след което са проследили как тя се променя с течение на времето. Това е позволило да се открие появата на ефективни заряди и да се възстанови динамиката, свързана със симулирания процес на скъсване на струната. За да проверят резултатите, екипът също така е моделирал същия процес на класически компютър. Класическите изчисления са съвпаднали с експерименталните резултати от квантовия симулатор.

За симулации от такъв относително малък мащаб класическите компютри все още се справят с изчисленията. Изследователите обаче очакват, че с нарастването на сложността на бъдещите експерименти квантовите компютри в крайна сметка ще могат да решават версии на тези задачи, които са недостъпни за класическите машини.

На път към симулации извън рамките на суперкомпютрите

Резултатите, получени с йонни капани са още една стъпка към квантовите симулации, които ще се окажат твърде сложни дори за най-мощните класически суперкомпютри в света. Ако квантовите системи продължат да се мащабират, изследователите в крайна сметка ще могат да ги използват за изучаване на въпроси, които е трудно или невъзможно да се възпроизведат директно в лаборатория, включително как се е държала и еволюирала материята скоро след Големия взрив.

„Като физик, за мен е изключително интересно да изследвам условията в ранната Вселена на изчислителна машина на атомно ниво. Дори и най-малките прозрения от модела на неравновесната физика ще ни насочват в бъдещето.“

сподели Зохре Давуди, доцент по физика в Университета на Мериленд (UMD), която е била част от изследователската група