Квантовый компьютер впервые воспроизвел рождение новых частиц из энергии
Исследователи из Duke Quantum Center впервые на платформе с захваченными ионами наблюдали динамику так называемого разрыва струны — процесса, связанного с образованием пар частица-античастица. Результаты опубликованы 23 сентября в журнале Nature Physics.
Физики считают, что подобные процессы могли происходить в экстремальных условиях ранней Вселенной. Теперь их удалось воспроизвести в контролируемом эксперименте на квантовом симуляторе.
«Квантовые компьютерные симуляции предоставляют лучшую платформу для изучения сложных вопросов, связанных с образованием материи, если не считать возможность непосредственно наблюдать Большой взрыв», — говорит руководитель работы Кристофер Монро, профессор Университета Дьюка.
Когда «струна» рвется
Кварки — фундаментальные частицы, из которых состоят протоны и нейтроны. В свободном состоянии их не наблюдают: они удерживаются вместе внутри составных частиц.
Для объяснения этого взаимодействия физики используют образ натянутой струны. Если попытаться раздвинуть два связанных кварка, энергия в системе будет расти. При достаточно сильном натяжении ее становится настолько много, что она превращается в новые частицы. В результате исходная связь распадается, а вместо одной пары возникают дополнительные пары частиц.
В природе подобные процессы требуют экстремальных энергий и могут возникать, например, при столкновениях частиц в Большом адронном коллайдере или в условиях ранней Вселенной.
«Работать на пересечении квантового моделирования и физики высоких энергий невероятно интересно. Моделируя удержание кварков и процессы разрыва струны в контролируемых лабораторных условиях, мы открываем новые возможности для экспериментального изучения поведения материи на самом фундаментальном уровне», — говорит первый автор работы Аринджой Де.
13 ионов вместо кварков
Для эксперимента ученые закодировали математическую модель процесса в цепочке из 13 захваченных ионов. Лазерными импульсами они точно управляли взаимодействиями между ионами и изменяли энергию системы так, чтобы она имитировала растяжение и последующий разрыв условной «струны».
Исследователи привели систему в состояние, далекое от равновесия, а затем наблюдали, как она меняется со временем. В ходе эксперимента им удалось увидеть появление эффективных зарядов и восстановить динамику процесса.
Результаты дополнительно проверили с помощью классического компьютера. Пока система была небольшой, обычных вычислений оказалось достаточно для проверки эксперимента. Однако при дальнейшем увеличении масштаба задачи классические компьютеры столкнутся с ограничениями, тогда как квантовые системы потенциально смогут продолжить моделирование.
Похожие эксперименты недавно провели другие группы, используя сверхпроводниковые квантовые процессоры и системы с нейтральными атомами. Исследователи Duke Quantum Center отмечают, что три подхода позволяют сравнивать возможности разных архитектур квантовых компьютеров.
«Для физика невероятно интересно исследовать условия ранней Вселенной с помощью вычислительной машины на атомном уровне», — говорит соавтор работы Зорех Давуди из Университета Мэриленда.
По ее словам, даже небольшие результаты таких экспериментов помогут в будущем лучше понять поведение материи в экстремальных условиях.
Авторы работы рассчитывают увеличить размер квантовых систем и выйти за пределы задач, которые способны решать крупнейшие классические суперкомпьютеры. Это позволит моделировать более сложные процессы, связанные с эволюцией материи после Большого взрыва.
