Нове дослідження Квантового центру Дьюка показує, як квантові симулятори можуть допомогти дослідникам вивчити утворення частинок і умови, що відбулися після Великого вибуху.
Кварки є будівельними блоками матерії, але вони ніколи не самотні. Щільно упаковані всередині протонів і нейтронів, пари кварків поводяться так, ніби їх утримує туга нитка. Їх розрив потребує стільки енергії, що коли зв’язок нарешті розривається, ця накопичена енергія перетворюється на абсолютно нові частинки. Цей процес, відомий як розрив струни, зазвичай відбувається лише в екстремальних умовах, таких як Великий адронний колайдер або одразу після Великого вибуху.
Команда під керівництвом викладачів Квантового центру Дьюка тепер відтворила подібну поведінку за допомогою квантового симулятора, виготовленого з 13 захоплених іонів або електрично заряджених атомів. Програмувавши іони відповідно до математичної моделі, дослідники могли відстежувати, як змодельований дріт розривався і з’являлися ефективні заряди. Результати оприлюднили 23 вересня Фізика природиє однією з перших квантових моделей у галузі динаміки обриву струн, пов’язаної з утворенням античастинок.
Розрив струн під контролем лазера
Самі кварки приблизно в мільярд разів менші за атом, і зараз їх неможливо спостерігати безпосередньо. Квантовий симулятор дає змогу моделювати їхню поведінку за допомогою системи, якою можуть керувати дослідники. В експерименті Дьюка точно сфокусовані лазерні промені модулювали взаємодію між іонами, дозволяючи цій взаємодії імітувати збільшення енергії, пов’язане з розтягуванням зв’язку між кварками.
Створення частинок із цієї енергії відображає співвідношення між масою та енергією, як описано в рівнянні Ейнштейна E = mc². Коли нові частинки «відроджуються» і струна розривається, дві або більше пар залишаються там, де спочатку була пара. Щоб відстежити подібні зміни в своєму симуляторі, дослідники вивели ланцюг іонів із стану рівноваги, тобто він був запущений у стані, який не залишатиметься в рівновазі. Потім вони простежили походження ефективних зарядів, характеристики моделі заряджених частинок і реконструювали динаміку отриманої струни.
«Робота на стику квантового моделювання та фізики високих енергій є неймовірно захоплюючою», — сказав Арінджой Де, перший автор статті та колишній постдокторант у лабораторії Крістофера Монро, який керував дослідженням і є професором електротехніки та комп’ютерної інженерії та фізики в Duke. Зараз Де є менеджером виробничого обладнання в QuEra Computing. «Імітуючи утримання кварків і явища розриву струн у контрольованому середовищі, ми відкриваємо нові шляхи для експериментальних досліджень поведінки матерії на її фундаментальному рівні».
Квантові результати проходять класичний тест
Дослідники перевірили свої результати, запустивши ту саму модель на класичному комп’ютері. Узгодженість між розрахунками та експериментом підтвердила, що квантовий симулятор точно відтворює модель у перевіреному розмірі. Попереднє завдання полягає в тому, щоб розширити ці симуляції, поки вони не зможуть вирішити проблеми, надто складні для класичних комп’ютерів, включаючи найбільші суперкомп’ютери.
Це дає дослідникам можливість досліджувати більш актуальні питання про те, як еволюціонує матерія, включно з умовами, пов’язаними з наслідками Великого вибуху.
«Як фізик, досліджувати ранні умови Всесвіту на обчислювальній машині атомного рівня — це неймовірно захоплююче», — сказав Зохре Давуді, доцент кафедри фізики Університету Меріленда та член дослідницької групи. «Навіть найменші ідеї фізичної моделі рівноваги керуватимуть нами в майбутньому».
Три платформи, один квантовий стандарт
У співпраці з керівництвом Herzog були дослідники з Університету Меріленда, Оксфордського університету, Каліфорнійського технологічного інституту, Корнельського університету та KU Leuven. Його результати приєднуються до двох подібних опублікованих досліджень, які повторюють розрив рядка в інших моделях з використанням різних технологій квантового обчислення.
Команди під керівництвом Google і QuEra Computing використовували надпровідні схеми та нейтральні атоми відповідно. Кожен підхід має свої переваги та проблеми, тому відтворення явища в цих системах дає можливість порівняти різні типи квантового обладнання.
«Це три платформи, відповідальні за квантові обчислення, тому це хороший еталон і орієнтир для квантової спільноти», — сказав Монро, який очолював дослідження Дюка та є почесним професором електротехніки, комп’ютерної інженерії та фізики президента родини Гілхулі.
«Квантово-комп’ютерне моделювання забезпечує найкращу платформу для дослідження складних питань, таких як походження матерії, за винятком спостереження за самим Великим вибухом», — сказав Монро. «Ці знахідки представляють значний розвиток у галузі квантової науки та відкривають нам нові шляхи для розуміння динаміки розриву струн».
Довідка: «Динаміка розриву рядка в квантовому симуляторі» Арінджо Де, Алессіо Лерозе, Де Луо, Федеріка М. Сурас, Олександр Шукерт, Елізабет Р. Бенневіц, Брайден Вер, Вільям Моронг, Кейт С. Коллінз, Зохре Давуді, Алексеш, Орде, Катрогер 23 вересня 2026 р., Фізика природи.
DOI: 10.1038/s41567-026-03422-0
Ця робота була підтримана Міністерством енергетики (DE-SC0020312, DE-SC0025341, DESC0019040, DE-SC0024220, DE-SC0020271), Національним науковим фондом (OMA-2120757), Управлінням наукових досліджень ВПС та оборонним проектом Amazon.
Ніколи не пропустіть прорив: приєднуйтесь до інформаційного бюлетеня SciTechDaily.
Слідкуйте за нами в Google і Google News.
