Исследователи под руководством Центра квантовых технологий Дьюкского университета впервые наблюдали на квантовом симуляторе динамику разрыва струны, связанную с образованием пар частица–античастица. Результаты работы опубликованы 23 сентября в журнале Nature Physics. Эксперимент показал, что квантовые компьютеры на захваченных ионах могут использоваться для изучения фундаментальных процессов физики.
Разрыв струны — это модель, описывающая ситуацию, когда связанные компоненты материи удаляются друг от друга. По мере растяжения связи в ней накапливается энергия, и при достижении определённого уровня возникают новые частицы. «Квантовые компьютерные симуляции предоставляют лучшую платформу для изучения сложных вопросов, связанных с образованием материи, если не считать возможность наблюдать сам Большой взрыв», — заявил руководитель исследования Кристофер Монро, профессор электротехники, вычислительной техники и физики Дьюкского университета.
В основе модели лежит поведение кварков — фундаментальных составляющих вещества, входящих в состав протонов и нейтронов. Их размеры примерно в миллиард раз меньше атома, однако в свободном виде кварки не наблюдаются, поскольку обычно остаются прочно связанными. Условно такую связь можно представить как натянутую струну между двумя заряженными частицами: чем сильнее их раздвигают, тем больше энергии накапливается в системе.
Связь в итоге может разорваться с образованием новых пар заряженных частиц, поскольку масса и энергия связаны знаменитым уравнением Эйнштейна E=mc2. Подобные процессы требуют огромных энергий и обычно возможны лишь в условиях, возникающих внутри Большого адронного коллайдера или существовавших вскоре после Большого взрыва. Учёные воспроизвели аналогичную динамику на цепочке из 13 захваченных ионов, управляя их взаимодействием с помощью лазерных импульсов.
Сначала систему вывели из равновесия, а затем проследили за её изменениями во времени. Это позволило обнаружить эффективные заряды и восстановить ход смоделированного разрыва струны. Расчёты на классическом компьютере подтвердили результаты эксперимента, хотя для задач такого небольшого масштаба обычные вычислительные системы пока также подходят.
В международную научную группу вошли специалисты Дьюкского университета, Университета Мэриленда, Оксфордского университета, Калифорнийского технологического института, Корнеллского университета и KU Leuven. Похожие модели недавно воспроизвели команды Google и QuEra Computing, применив сверхпроводящие схемы и нейтральные атомы. «Это три платформы, которые сейчас лидируют в квантовых вычислениях, поэтому результат стал хорошим ориентиром и возможностью для сравнения в квантовом сообществе», — отметил Монро.
Авторы ожидают, что при увеличении масштаба экспериментов квантовые компьютеры смогут решать задачи, недоступные классическим машинам. Среди них — изучение поведения материи на ранних этапах существования Вселенной. «Как физику, мне невероятно интересно исследовать условия ранней Вселенной с помощью вычислительной машины атомного уровня», — сказала участница проекта, доцент физики Университета Мэриленда Зохре Давуди. Исследование поддержали Министерство энергетики США, Национальный научный фонд, Управление научных исследований ВВС США, Агентство передовых оборонных исследовательских проектов и Amazon Web Services.