Как рождается материя после Большого взрыва: физики впервые увидели разрыв струн на квантовом компьютере

Исследовательская группа под руководством ученых из Квантового центра Дьюка впервые наблюдала динамику разрыва струн на квантовом симуляторе с пойманными ионами. Этот процесс связан с формированием пар частиц и античастиц. Эксперимент показывает, что квантовые компьютеры способны исследовать фундаментальные вопросы устройства Вселенной.

Что такое разрыв струн и почему это важно

Фундаментальные строительные блоки материи — кварки — существуют только внутри связанных частиц, таких как протоны и нейтроны. Они примерно в миллиард раз меньше атома, и наблюдать их напрямую невозможно.

Пары кварков можно представить как две крошечные заряженные частицы, соединенные натянутой струной. Они стремятся держаться вместе, поэтому для их разделения требуется немало сил.

Однако как только кварки разъединяются, энергия, накопленная в их связи, может быть достаточной для создания новых заряженных частиц. Масса и энергия связаны через уравнение Эйнштейна. Когда это происходит, струна разрывается, оставляя две или более пар частиц вместо одной.

Этот процесс требует огромной энергии. Он происходит только в экстремальных условиях, например на Большом адронном коллайдере или в первые мгновения после Большого взрыва.

Как работал эксперимент

Команда закодировала модель разрыва струн в цепочку из 13 пойманных ионов. С помощью точно контролируемых лазерных лучей исследователи настроили взаимодействия между ионами. Эти взаимодействия эффективно управляют энергией системы. Они имитируют растяжение и последующий разрыв струны.

Подготовив систему к состоянию вне равновесия и отслеживая ее эволюцию со временем, исследователи наблюдали появление эффективных зарядов. Также они восстановили динамику струн.

Команда смоделировала процесс и на классическом компьютере. Это подтвердило точность экспериментальных квантовых вычислений. Однако по мере роста размера задачи в будущих экспериментах только квантовые компьютеры смогут решить эти задачи. Классические машины с этим не справятся.

Почему это прорыв

Моделирование на квантовых компьютерах дает лучшую платформу для изучения сложных вопросов. Среди них формирование материи. Альтернативой могли бы быть только свидетели самого Большого взрыва.

Квантовые симуляторы обладают высокой степенью управляемости. Их можно запрограммировать для воссоздания реальных процессов, происходящих на атомном или субатомном уровне.

Работа на стыке квантового моделирования и физики высоких энергий открывает новые пути. Исследователи могут экспериментально изучать поведение материи на самом фундаментальном уровне.

Три платформы, один результат

Процесс разрыва струн был воссоздан и другими командами. Группы под руководством Google и QuEra Computing использовали платформы на сверхпроводящих цепях и нейтральных атомах соответственно. Каждая из них имеет свои преимущества и сложности.

Это три ведущие платформы в квантовых вычислениях. Их сравнение служит хорошим ориентиром для всего квантового сообщества.

Что это значит для будущего

Результаты, полученные на платформе с пойманными ионами, знаменуют важный шаг вперед. Создаются квантовые симуляции, достаточно сложные, чтобы превзойти возможности даже крупнейших суперкомпьютеров.

В перспективе это позволит исследователям изучать самые фундаментальные вопросы Вселенной. Среди них эволюция материи после Большого взрыва. Физики смогут изучать условия ранней Вселенной в атомной вычислительной машине. Даже малейшие инсайты из модели физики вне равновесия будут направлять науку в будущем.

Результаты опубликованы в Nature Physics.