В журнале Nature Physics 23 сентября появилась статья исследователей из Квантового центра Дьюка (DQC). На квантовом симуляторе они впервые увидели, как рвётся струна и одновременно рождаются пары частиц и античастиц. По мнению авторов, такой инструмент помогает разбираться в фундаментальных вопросах физики. Об этом пишет портал RuSamara.
В эксперименте воспроизвели процесс, который называют разрывом струны. Два связанных элемента материи разводили, пока запасённой энергии не хватало для появления новых частиц в момент разрыва связи. Кристофер Монро, профессор Университета Дьюка, где он преподаёт электротехнику, вычислительную технику и физику, руководил работой. Он отметил, что квантовые симуляции — лучший способ изучать образование материи, если сам Большой взрыв наблюдать невозможно. По его словам, это заметный шаг для квантовой науки и новый путь к пониманию динамики разрыва струн. Работу выполнила международная команда: в неё вошли специалисты из Университета Мэриленда (UMD), Оксфорда, Калифорнийского технологического института, Корнеллского университета и KU Leuven. Одновременно две независимые группы получили близкую физику на других квантовых платформах.
Кварки — один из самых фундаментальных строительных блоков материи. Они входят в протоны и нейтроны и уступают атому примерно в миллиард раз по размеру. Напрямую увидеть отдельный кварк пока нельзя: обычно они крепко связаны друг с другом. Это можно представить так: есть два маленьких заряженных объекта, между которыми натянута струна. Чем сильнее их раздвигают, тем больше энергии накапливается в связи. В какой-то момент этой энергии хватает на создание дополнительных заряженных частиц, ведь масса и энергия связаны уравнением Эйнштейна E=mc². Так одна разъединённая пара не остаётся одна: старая связь ломается, а на её месте появляются новые пары частиц. Подобные процессы требуют огромных энергий и обычно идут в экстремальных условиях — например, на Большом адронном коллайдере или сразу после Большого взрыва.
В новом опыте команда Дьюка повторила поведение разрыва струны с помощью ионов, удерживаемых в ловушке. Квантовые симуляторы удобны тем, что их можно точно настраивать и программировать под процессы атомного и субатомного масштаба. Аринджой Де, который стал первым автором публикации, ранее учился в аспирантуре у Монро, а теперь занимает должность ведущего специалиста по производственным машинам в QuEra Computing. Он назвал это направление очень увлекательным. По его словам, то, что кварки удерживаются, а струна рвётся в лабораторных условиях, даёт новые возможности для экспериментального исследования материи на самом фундаментальном уровне. Чтобы построить симуляцию, исследователи закодировали нужную модель в цепочке, состоящей из 13 ионов, удерживаемых в ловушке. Затем точно управляемые лазерные лучи настраивали взаимодействие между ионами. Это давало возможность управлять энергией системы и показать, как связь растягивается, а потом рвётся.
Сначала систему перевели в неравновесное состояние, а затем следили за её изменениями. Так физики увидели эффективные заряды и описали развитие моделируемого процесса. Тот же процесс проверили на классической машине: результаты совпали с показаниями квантового симулятора. Пока задачи небольшие, обычные компьютеры с ними справляются, но авторы ждут, что квантовые устройства решат более сложные версии, недоступные классическим. Ещё несколько коллективов недавно получили сходные данные на других платформах: Google использовала сверхпроводящие схемы, QuEra Computing — нейтральные атомы. Монро назвал эти три платформы ориентиром для сообщества. Спонсорами выступили Министерство энергетики США, Национальный научный фонд, DARPA, Управление научных исследований ВВС и Amazon Web Services. Если квантовые системы будут масштабироваться, учёные смогут изучать то, как материя вела себя сразу после Большого взрыва. Речь идёт о задачах, которые сложно или даже нельзя поставить в обычной лаборатории. Зохре Давуди из Университета Мэриленда заметила, что ей как физику интересно изучать раннюю Вселенную с помощью вычислительной машины атомного масштаба. Даже небольшие прозрения из модели неравновесной физики, по её словам, помогут в будущем.