Исследователи под руководством Центра квантовых технологий Дьюкского университета впервые наблюдали на квантовом симуляторе динамику разрыва «струны», связанную с образованием пар частица–античастица. Результаты работы 23 сентября опубликовал журнал Nature Physics. Эксперимент показал, что квантовые компьютеры на захваченных ионах могут использоваться для изучения фундаментальных процессов физики.
Модель описывает ситуацию, в которой два связанных элемента материи постепенно удаляются друг от друга. Энергия связи при этом растёт, пока её не становится достаточно для появления новых частиц. В результате исходная система распадается, а вместо одной пары возникают дополнительные пары частиц.
«Квантовые компьютерные симуляции предоставляют лучшую платформу для изучения сложных вопросов, связанных с образованием материи, если не считать возможности наблюдать сам Большой взрыв», — заявил руководитель исследования Кристофер Монро, заслуженный профессор электротехники, вычислительной техники и физики имени семьи Гилхули в Дьюкском университете. По его словам, результаты стали заметным достижением для квантовой науки и открывают новые возможности для изучения динамики разрыва «струны».
Для эксперимента учёные закодировали соответствующую модель в цепочке из 13 захваченных ионов. Лазерные лучи позволили точно управлять взаимодействием между ионами и изменять энергию системы так, чтобы воспроизвести растяжение и последующий разрыв связи, аналогичной связи между частицами.
Кварки входят в число наиболее фундаментальных известных составляющих материи и находятся внутри протонов и нейтронов. Их размер примерно в миллиард раз меньше атома, однако наблюдать отдельные кварки напрямую невозможно, поскольку они обычно остаются прочно связанными. Подобные процессы требуют огромной энергии и в природе могут происходить в условиях, сопоставимых с теми, что возникают в Большом адронном коллайдере или существовали вскоре после Большого взрыва; связь массы и энергии описывается формулой Эйнштейна E=mc2.
Команда подготовила систему в неравновесном состоянии и проследила за её изменениями во времени, обнаружив эффективные заряды и восстановив динамику моделируемого разрыва. Результаты проверили с помощью классического компьютера, расчёты которого совпали с данными квантового симулятора. В работе участвовали специалисты Университета Мэриленда, Оксфордского университета, Калифорнийского технологического института, Корнеллского университета и KU Leuven, а поддержку оказали Министерство энергетики США, Национальный научный фонд, Управление научных исследований ВВС, Агентство передовых оборонных исследовательских проектов и Amazon Web Services.