|
Квантовое устройство имитирует возникновение материи
|
|
|
|
Исследовательская группа под руководством сотрудников Квантового центра Университета Дьюка (Duke Quantum Center, DQC) наблюдала на квантовом симуляторе динамику разрыва струн, связанную с образованием частиц и античастиц, что стало одним из первых подобных наблюдений в квантовой физике.
|
|
|
|
Подход, описанный в журнале Nature Physics, показывает, что квантовые компьютеры на основе захваченных ионов можно использовать для изучения фундаментальных вопросов о Вселенной. Эксперимент имитирует разрыв струн — явление, при котором два связанных между собой фундаментальных строительных блока материи растягиваются в разные стороны, накапливая энергию, достаточную для того, чтобы при разрыве связи «возникли» новые частицы.
|
|
|
|
«Квантовое компьютерное моделирование — лучшая платформа для изучения таких сложных вопросов, как формирование материи, если не считать возможности наблюдать сам Большой взрыв», — сказал Кристофер Монро, заслуженный профессор электротехники, вычислительной техники и физики в Университете Дьюка, возглавлявший исследование.
|
|
|
|
«Эти результаты свидетельствуют о заметном прогрессе в области квантовой науки и открывают перед нами новые возможности для изучения динамики разрыва струн».
|
|
|
|
|
|
|
Исследование проводилось в рамках международного сотрудничества с участием Мэрилендского университета (University of Maryland, UMD), Оксфордского университета, Калифорнийского технологического института, Корнеллского университета и Лёвенского католического университета. Эти результаты дополняют два аналогичных исследования, проведённых другими группами учёных, которые моделировали то же явление на разных квантовых компьютерных платформах.
|
|
Строительные блоки материи
|
|
|
|
Кварки, фундаментальные строительные блоки материи, существуют только тогда, когда они связаны друг с другом внутри таких частиц, как протоны и нейтроны. Они примерно в миллиард раз меньше атома, и в настоящее время их невозможно наблюдать непосредственно. Вы можете представить пары кварков как две крошечные заряженные частицы, соединенные натянутой струной; они хотят держаться вместе, поэтому требуется совсем немного энергии, чтобы разъединить их.
|
|
|
|
Но как только они разъединяются, энергии, накопленной при их соединении, может оказаться достаточно для создания большего количества заряженных частиц, поскольку масса и энергия напрямую связаны знаменитым уравнением Эйнштейна E=mc2. Когда это происходит, струна разрывается, оставляя две или более пары частиц вместо одной. Однако этот процесс требует так много энергии, что происходит только в экстремальных условиях, таких как Большой адронный коллайдер или последствия Большого взрыва.
|
|
|
|
В новом исследовании команда, возглавляемая DQC, наблюдала аналогичную динамику разрыва струн на квантовой платформе с захваченными ионами. Квантовые симуляторы, обладающие высокой степенью управляемости, могут быть запрограммированы для воссоздания реальных процессов, происходящих на атомном или даже субатомном уровнях.
|
|
|
|
«Работа на стыке квантового моделирования и физики высоких энергий невероятно увлекательна», — говорит Аринжой Де, первый автор статьи, бывший аспирант лаборатории Монро, а ныне руководитель производственного отдела компании QuEra Computing.
|
|
|
|
«Моделируя конфайнмент кварков и явления, связанные с разрывом струн, в контролируемой лабораторной среде, мы открываем новые возможности для экспериментальных исследований поведения материи на самом фундаментальном уровне».
|
|
|
|
Для проведения моделирования команда закодировала модель разрыва струн в цепочку из 13 захваченных ионов. С помощью точно регулируемых лазерных лучей исследователи настроили взаимодействие между ионами. Эти взаимодействия эффективно управляют энергией системы, имитируя растяжение и последующий разрыв струны.
|
|
|
|
Подготовив систему в неравновесном состоянии и отслеживая ее эволюцию с течением времени, исследователи наблюдали появление эффективных зарядов и реконструировали результирующую динамику струн.
|
|
|
|
Команда также смоделировала этот процесс на классическом компьютере и подтвердила точность результатов, полученных на квантовом компьютере. Однако по мере увеличения масштаба задач в будущих экспериментах только квантовые, а не классические компьютеры смогут их решать.
|
|
|
|
Процесс разрыва связей в других моделях также был воссоздан командами под руководством Google и QuEra Computing на платформах, построенных на основе сверхпроводниковых схем и нейтральных атомов соответственно. У каждой платформы есть свои преимущества и недостатки.
|
|
|
|
«Эти три платформы лидируют в области квантовых вычислений, так что это хороший ориентир и возможность для сравнения для квантового сообщества», — добавил Монро.
|
|
|
|
Результаты, полученные на платформе с захваченными ионами, — это шаг к созданию квантовых симуляций, достаточно сложных для того, чтобы превзойти возможности даже самых мощных суперкомпьютеров. Такие симуляции в перспективе позволят исследователям изучать фундаментальные вопросы о Вселенной, например о том, как материя эволюционировала после Большого взрыва.
|
|
|
|
«Как физику, мне невероятно интересно исследовать условия ранней Вселенной с помощью вычислительной машины на атомном уровне, — говорит Зохре Давуди, доцент кафедры физики в Университете Мэриленда, которая участвовала в исследовательской группе.
|
|
|
|
— Даже малейшие открытия, сделанные с помощью неравновесной физической модели, помогут нам в будущем».
|
|
|
|
Источник
|
