Учёные использовали квантовый компьютер, чтобы смоделировать необычный процесс, при котором накопленная энергия приводит к появлению новых частиц. Исследование стало одной из первых демонстраций такого рода и может приблизить физиков к моделированию процессов, происходивших в ранней Вселенной.
Работу возглавили специалисты Квантового центра Университета Дьюка. Результаты опубликованы 23 сентября в журнале Nature Physics.
Исследователи воспроизвели так называемый разрыв струны — процесс, связанный с образованием пары частица-античастица. Его можно представить как две частицы, соединённые чрезвычайно натянутой нитью. Чем дальше их растягивают, тем больше энергии накапливается между ними.
В какой-то момент энергии становится достаточно для рождения новых частиц. Вместо того чтобы просто разделить исходную пару, связь разрывается, а в системе возникают дополнительные пары частиц.
Такая возможность связана с эквивалентностью массы и энергии, выраженной знаменитой формулой Эйнштейна. В реальных условиях подобные процессы требуют колоссальных энергий и происходят, например, в Большом адронном коллайдере или могли происходить вскоре после Большого взрыва.
Особый интерес здесь связан с кварками — одними из самых фундаментальных известных составляющих материи. Они входят в состав протонов и нейтронов, но наблюдать отдельный кварк напрямую пока невозможно: они остаются прочно связанными друг с другом.
Чтобы воспроизвести похожую физику, исследователи использовали квантовую систему из 13 захваченных ионов. Модель разрыва струны была закодирована в эту цепочку, а взаимодействиями между ионами управляли при помощи точно настроенных лазерных лучей.
Так учёные смогли изменять энергию системы и имитировать постепенное растяжение и последующий разрыв связи между частицами.
После подготовки системы в неравновесном состоянии исследователи наблюдали, как она изменяется со временем. Им удалось зарегистрировать появление эффективных зарядов и восстановить динамику, соответствующую смоделированному разрыву струны.
Для проверки эксперимент повторили в виде расчётов на обычном компьютере. Результаты классического моделирования совпали с тем, что показала квантовая установка.
Пока система из 13 ионов достаточно мала, поэтому обычные компьютеры всё ещё способны справляться с такими расчётами. Но по мере увеличения размеров и сложности моделей ситуация может измениться. Исследователи рассчитывают, что квантовые машины со временем смогут решать задачи, которые окажутся слишком сложными даже для мощнейших традиционных суперкомпьютеров.
Похожие результаты недавно получили ещё две независимые группы. Одна использовала сверхпроводящие квантовые схемы, а другая — нейтральные атомы. Таким образом, сразу три ведущих направления квантовых вычислений смогли воспроизвести родственные процессы разрыва струны.
Авторы считают, что дальнейшее развитие подобных систем позволит изучать явления, которые чрезвычайно трудно или невозможно непосредственно воспроизвести в лаборатории. В перспективе квантовые симуляторы могут помочь исследовать, как материя возникала и изменялась в первые моменты после Большого взрыва.
Даже небольшие успехи в моделировании столь сложных неравновесных процессов, по мнению исследователей, способны дать физикам новые подсказки о поведении материи в самых экстремальных условиях.
