Физики из Квантового центра Дьюка и ряда других университетов впервые смоделировали на квантовом компьютере так называемый разрыв «струны» – фундаментальный процесс, в ходе которого из энергии рождаются пары частица-античастица. Результаты эксперимента, опубликованные в журнале Nature Physics, подтверждают, что квантовые симуляторы могут стать ключевым инструментом для изучения самых ранних моментов существования Вселенной.
В основе эксперимента лежит явление конфайнмента: кварки, базовые строительные блоки материи, настолько сильно связаны друг с другом, что их невозможно разделить поодиночке. При попытке их «растянуть» энергия связи, или «струны», между ними растет. Когда эта энергия достигает определенного порога, она, согласно уравнению Эйнштейна E=mc², преобразуется в массу, порождая новую пару кварк-антикварк. В природе такие процессы происходят только в экстремальных условиях, например, внутри Большого адронного коллайдера или сразу после Большого взрыва.
Чтобы воссоздать этот механизм в лаборатории, исследователи использовали квантовый симулятор на основе 13 захваченных ионов. С помощью точно настроенных лазеров они управляли взаимодействиями между ионами, имитируя натяжение и последующий разрыв «струны». Ученые привели систему в нестабильное состояние и проследили за ее развитием, зафиксировав динамику, которая соответствует появлению новых частиц.
Результаты симуляции полностью совпали с расчетами, выполненными на классическом компьютере. Однако, по словам авторов, для более масштабных и сложных систем мощности обычных суперкомпьютеров уже не хватит, и преимущество останется за квантовыми устройствами. Подобные эксперименты открывают возможность исследовать физические явления, недоступные для прямого наблюдения.
Примечательно, что почти одновременно с группой из Дьюка о похожих результатах отчитались еще две команды исследователей. Специалисты Google и стартапа QuEra Computing смоделировали разрыв струны на других платформах – сверхпроводящих схемах и нейтральных атомах соответственно. Это показывает, что ведущие технологии для квантовых вычислений развиваются с сопоставимой скоростью и достигли уровня, достаточного для решения задач из области физики высоких энергий.
