Квантовый симулятор воссоздал процесс «возникновения материи из ничего»

Исследователи под руководством Квантового центра Университета Дьюка (DQC) использовали квантовый симулятор для наблюдения динамики разрыва струны, связанной с образованием пар частиц и античастиц. Это одна из первых подобных демонстраций в квантовой физике.

Работа, опубликованная 23 сентября в журнале Nature Physics, показывает, как квантовые компьютеры на основе ионных ловушек могут стать мощными инструментами для изучения глубочайших вопросов фундаментальной физики. В ходе эксперимента был смоделирован процесс, известный как разрыв струны: два связанных строительных блока материи разъединяются до тех пор, пока не накопится столько энергии, что при разрыве связи новые частицы буквально «возникают из ничего».

«Квантовые компьютерные симуляции предоставляют лучшую платформу для исследования сложных вопросов, таких как формирование материи, — если, конечно, вы не были свидетелем самого Большого взрыва, — сказал Кристофер Монро, президентский профессор электротехники, вычислительной техники и физики имени семьи Гилхули в Университете Дьюка, руководивший исследованием. — Эти результаты знаменуют заметный прогресс в области квантовой науки и открывают новые пути для понимания динамики разрыва струн».

Исследование проводилось международной коллаборацией, в которую вошли учёные из Мэрилендского университета (UMD), Оксфордского университета, Калифорнийского технологического института, Корнеллского университета и KU Leuven. Результаты публикуются вместе с двумя другими недавними исследованиями независимых групп, воспроизведших аналогичную физику на других типах квантового оборудования.

Почему кварки нельзя просто разъединить

Кварки — одни из самых фундаментальных известных строительных блоков материи. Они находятся внутри таких частиц, как протоны и нейтроны, и примерно в миллиард раз меньше атома. Учёные пока не могут напрямую наблюдать изолированные кварки, поскольку обычно они остаются прочно связанными друг с другом.

Это можно представить так: вообразите две крошечные заряженные частицы, соединённые туго натянутой струной. Чем дальше их растягивают, тем больше энергии запасается в связи между ними.

В конце концов накопленной энергии становится достаточно для создания дополнительных заряженных частиц. Это возможно, поскольку масса и энергия связаны знаменитым уравнением Эйнштейна E=mc². Вместо одной разъединённой пары исходная связь разрывается, и образуются новые пары частиц.

Такие процессы требуют огромных затрат энергии и обычно происходят только в экстремальных условиях — например, внутри Большого адронного коллайдера или в первые мгновения после Большого взрыва.

Воссоздание разрыва струны на квантовой машине

В новом эксперименте команда под руководством Дьюка воспроизвела аналогичное поведение разрыва струны с помощью квантовой платформы на ионных ловушках. Квантовые симуляторы особенно полезны для такой работы, поскольку исследователи могут точно управлять ими и программировать их для имитации физических процессов, происходящих на атомном и субатомном уровнях.

«Работа на стыке квантового моделирования и физики высоких энергий невероятно захватывает, — сказал Аринджой Де, первый автор статьи, бывший аспирант лаборатории Монро, а ныне ведущий специалист по производственным машинам в QuEra Computing. — Моделируя конфайнмент кварков и явления разрыва струн в контролируемой лабораторной среде, мы открываем новые пути для экспериментальных исследований поведения материи на самом фундаментальном уровне».

Для построения симуляции исследователи закодировали модель разрыва струны в цепочке из 13 ионов в ловушке. Затем с помощью тщательно контролируемых лазерных лучей регулировалось взаимодействие ионов друг с другом.

Эти взаимодействия позволили команде управлять энергией системы так, чтобы воспроизвести растяжение и последующий разрыв струноподобной частицы.

Наблюдение за эволюцией квантовой системы

Исследователи подготовили систему в неравновесном состоянии, а затем отслеживали, как она меняется со временем. Это позволило обнаружить появление эффективных зарядов и восстановить динамику, связанную со смоделированным процессом разрыва струны.

Для проверки результатов команда также смоделировала тот же процесс на классическом компьютере. Классические расчёты совпали с экспериментальными результатами квантового симулятора.

Для симуляций такого относительно небольшого масштаба классические компьютеры всё ещё справляются с вычислениями. Однако исследователи ожидают, что по мере роста сложности будущих экспериментов квантовые компьютеры в конечном итоге смогут решать версии этих задач, недоступные классическим машинам.

Другие исследовательские группы недавно достигли аналогичных рубежей на разных типах квантового оборудования. Команды под руководством Google и QuEra Computing воссоздали родственные модели разрыва струн с использованием сверхпроводящих схем и нейтральных атомов соответственно. У каждого подхода свои сильные стороны и ограничения.

«Это три платформы, ведущие наступление в квантовых вычислениях, так что это хороший ориентир и сравнение для квантового сообщества», — добавил Монро.

На пути к симуляциям за пределами суперкомпьютеров

Результаты на ионных ловушках — ещё один шаг к квантовым симуляциям, которые окажутся слишком сложными даже для самых мощных обычных суперкомпьютеров мира.

Если квантовые системы продолжат масштабироваться, исследователи смогут в конечном итоге использовать их для изучения вопросов, которые трудно или невозможно воспроизвести напрямую в лаборатории, включая то, как вела себя и эволюционировала материя вскоре после Большого взрыва.

«Как физику, мне невероятно интересно исследовать условия ранней Вселенной на вычислительной машине атомного уровня, — сказала Зохре Давуди, доцент физики в UMD, входившая в исследовательскую группу. — Даже малейшие прозрения из модели неравновесной физики будут направлять нас в будущем».

Исследование поддержано Министерством энергетики США (DE-SC0020312, DE-SC0025341, DESC0019040, DE-SC0024220, DE-SC0020271), Национальным научным фондом (OMA-2120757), Управлением научных исследований ВВС, DARPA и Amazon Web Services.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Дьюка.

Arinjoy De, Alessio Lerose, De Luo, Federica M. Surace, Alexander Schuckert, Elizabeth R. Bennewitz, Brayden Ware, William Morong, Kate S. Collins, Zohreh Davoudi, Alexey V. Gorshkov, Or Katz, Christopher Monroe. String-breaking dynamics in a quantum simulator. Nature Physics, 2026; DOI: 10.1038/s41567-026-03422-0