Команда учёных из Duke Quantum Center (DQC) использовала квантовый симулятор для наблюдения динамики разрыва строки, связанной с образованием частиц-античастиц, что стало одним из самых ранних демонстрационных примеров такого рода в квантовой физике. По данным исследования, опубликованного 23 сентября в Nature Physics, создаётся впечатление, что затянутые взаимодействия между двумя частями материи могут достигнуть энергии, при которой новые частицы «появляются» после разрыва связи между ними. Источник: блоки 0, 1.

Работа демонстрирует, что квантовые компьютеры на основе ионов-кацел могут стать мощными инструментами для исследования фундаментальных вопросов физики; в эксперименте была воспроизведена модель разрыва строки, которая затягивает две связанные частицы до тех пор, пока не накапливается энергия, достаточная для появления новых пар частиц. Эти выводы подчёркнуты словами руководителя проекта профессора Кристофера Мурно (Christopher Monroe): «квантовые симуляторы предоставляют лучшую платформу для изучения сложных вопросов, приближаясь к тем, кто исследовал формирование материи, не наблюдая сам Большой взрыв»; он добавляет, что такие результаты обозначают заметное развитие в области квантовой науки и открывают новые пути к изучению динамики разрыва строки. Источник: блоки 1, 2.

Исследование осуществлено международной кооперацией, в которую вошли учёные Университета Мэриленда (UMD), Оксфорда, Калифорнийского технологического института (Caltech), Корнеллского университета и KU Leuven. В публикации также упоминаются две другие недавние работы разных групп, воспроизводившие аналогичную физику на разных типах квантовых вычислительных устройств. Источник: блоки 3.

Для лучшего понимания концепции была объяснена идея «плохой» и «хорошей» электродной связи: когда две частицы слишком сильно растянуты, в связи накапливается энергия, приводящая к появлению дополнительных частиц. В тексте отмечается, что такие процессы требуют огромных энергий и обычно происходят в условиях, близких к тем, что создаются в Большом адронном коллайдере или существовали вскоре после Большого взрыва. Источник: блоки 5–8.

В эксперименте же команда Duke воспроизвела аналогичные разрывы строки на платформе с ловушечными ионами. Кванто-симуляторы полезны тем, что позволяют точно управлять системой и запрограммировать её на воспроизведение процессов на атомном и субатомном масштабе. По словам автора-ведущего проекта Аринджоя Де (Arinjoy De), который ранее был PhD-стипендиатом в лаборатории Мурно и ныне занимает должность ведущего в QuEra Computing, моделирование заключения кварков и разрыва строки в контролируемой лабораторной среде открывает новые пути для экспериментальных исследований поведения материи на самом фундаментальном уровне. Источник: блоки 10, 11.

Чтобы построить симуляцию, исследователи закодировали модель разрыва строки в цепь из 13 ловушечных ионов. Управляемые лазерные лучи использовались для регулирования взаимодействий между ионами, что позволило контролировать энергию системы так, чтобы воспроизвести растяжение и последующий разрыв «струны», имитирующей поведение частиц. Источник: блоки 12, 13.

Наблюдалось эволюционное развитие квантовой системы: начав с несостоявшегося равновесия, учёные отслеживали изменение во времени и фиксировали появление эффективных зарядов, восстанавливая динамику симулированного разрыва строки. Для проверки результатов команда также смоделировала тот же процесс на классическом компьютере; расчёты на классическом оборудовании согласовались с экспериментальными данными квантового симулятора. Источник: блоки 15, 16.

Авторы отмечают, что на данном уровне масштаба классические компьютеры ещё способны выполнять расчёты, однако с ростом сложности и размеров экспериментов квантовые компьютеры смогут решать версии задач, которые не под силу классическим машинам. Кроме того, другие группы уже достигли аналогичных целей на разных квантовых платформах: Google и QuEra Computing воспроизвели связанные модели разрыва строки на сверхпроводниковых схемах и на нейтральных атомах соответственно, каждая платформа имеет свои преимущества и ограничения. Источник: блоки 17–19.

Профессор Майк Монро (Monroe) подчеркивает, что эти платформы являются тремя передовыми направлениями в квантовых вычислениях и служат хорошей отправной точкой для сравнения достижений в сообществе. В работе также выражена надежда на освоение симуляций, выходящих за пределы возможностей суперкомпьютеров, и на возможность исследования вопросов о поведении материи во Вселенной в ранний период после Большого взрыва. Заявления РОЛ: «Такие исследования ведут нас к пониманию условий ранней Вселенной на уровне атомов» добавляет др. Зохре Мадовуди (Zohreh Davoudi) из UMD, входившая в состав исследовательской команды. Источник: блоки 19, 23.