Исследователи из Центра квантовых технологий Университета Дьюка воспроизвели на квантовом симуляторе процесс, аналогичный разрыву связей между кварками. Эксперимент может помочь изучать образование частиц и физические условия, существовавшие вскоре после Большого взрыва. Результаты работы опубликованы 23 сентября 2026 года в журнале Nature Physics.
Кварки входят в состав протонов и нейтронов и не наблюдаются поодиночке. При попытке разделить связанные кварки энергия такой связи возрастает, а после разрыва превращается в новые частицы. Это явление называют разрывом струны; в природе оно происходит в экстремальных условиях, например при столкновениях в Большом адронном коллайдере или на ранних этапах существования Вселенной.
В эксперименте использовали цепочку из 13 удерживаемых ионов — электрически заряженных атомов. Лазерные лучи позволили точно управлять взаимодействиями между ними и задать математическую модель, имитирующую накопление энергии при растяжении связи. Учёные вывели систему из равновесия, а затем наблюдали появление эффективных зарядов, которые в модели соответствуют заряженным частицам, и восстанавливали динамику разрыва.
Такой процесс связан с соотношением массы и энергии, выраженным формулой Эйнштейна E = mc². Когда энергия связи преобразуется в частицы, вместо одной исходной пары могут возникать две или больше новых пар. По словам первого автора работы Аринджоя Де, моделирование удержания кварков и разрыва струны в контролируемых лабораторных условиях открывает возможности для экспериментального изучения фундаментальных свойств материи.
Точность эксперимента проверили с помощью расчётов на классическом компьютере: результаты совпали с данными квантового симулятора для исследованного масштаба. Следующим этапом станет увеличение размера таких моделей, чтобы они позволили решать задачи, недоступные даже крупнейшим классическим суперкомпьютерам. «Как физику, мне невероятно интересно исследовать условия ранней Вселенной с помощью вычислительной машины атомного масштаба», — сказала участница проекта, доцент физики Университета Мэриленда Зохре Давуди.
В совместной работе участвовали специалисты Университета Мэриленда, Оксфордского университета, Калифорнийского технологического института, Корнеллского университета и KU Leuven. Похожие исследования провели команды Google и QuEra Computing, использовавшие сверхпроводящие схемы и нейтральные атомы. По словам руководителя проекта Кристофера Монро, воспроизведение одного явления на трёх ведущих квантовых платформах создаёт удобный ориентир для сравнения возможностей разных технологий.