Foto: Emily Edwards

V laboratoři Duke Quantum Center se odehrává fascinující příběh, který by mohl změnit naše chápání vesmíru. Vědci zde použili kvantový počítač k simulaci procesu, při kterém se částice zdánlivě „objevují z ničeho“. Tento experiment otevírá nové možnosti pro zkoumání fyziky raného vesmíru.

Autor původního článku: redakce

Simulace raného vesmíru

Vědci z Duke University, vedení Christopherem Monroem, Gilhuly Family Presidential Distinguished Professor of Electrical and Computer Engineering and Physics, použili 13-iontový kvantový simulátor k pozorování dynamiky rozbíjení strun, což je proces spojený s tvorbou částic a antičástic. Tato práce, publikovaná 23. září v časopise Nature Physics, ukazuje, jak by kvantové počítače mohly být mocnými nástroji pro zkoumání některých z nejhlubších otázek fundamentální fyziky.

Co je to rozbíjení strun?

Experiment simuloval proces známý jako rozbíjení strun, při kterém se dva spojené stavební bloky hmoty oddělují, až se nahromadí tolik energie, že nové částice mohou efektivně „vyskočit do existence“, když se spojení přeruší. „Simulace na kvantových počítačích poskytují nejlepší platformu pro zkoumání složitých otázek, jako je tvorba hmoty, pokud bychom sami nebyli svědky Velkého třesku,“ řekl Christopher Monroe.

Mezinárodní spolupráce

Studie byla provedena mezinárodní spoluprací, která zahrnovala výzkumníky z University of Maryland (UMD), Oxford University, California Institute of Technology, Cornell University a KU Leuven. Výsledky se objevují vedle dvou dalších nedávno publikovaných studií od samostatných týmů, které reprodukovaly podobnou fyziku pomocí různých typů kvantového výpočetního hardwaru.

Proč nelze kvarky jednoduše oddělit?

Kvarky jsou jedny z nejzákladnějších známých stavebních bloků hmoty. Nacházejí se uvnitř částic, jako jsou protony a neutrony, a jsou přibližně miliardkrát menší než atom. Vědci nemohou v současnosti pozorovat izolované kvarky přímo, protože kvarky obvykle zůstávají pevně spojeny dohromady. Jedním ze způsobů, jak si to představit, je představit si dvě malé nabité částice spojené pevně nataženou strunou. Čím dál jsou od sebe taženy, tím více energie se ukládá ve spojení mezi nimi.

Rekonstrukce rozbíjení strun v kvantovém stroji

V novém experimentu tým vedený Dukem reprodukoval analogické chování rozbíjení strun pomocí platformy kvantových simulátorů s uvězněnými ionty. Kvantové simulátory jsou obzvláště užitečné pro tento druh práce, protože vědci je mohou přesně ovládat a programovat tak, aby napodobovaly fyzikální procesy, které se odehrávají na atomových a subatomových škálách.

Sledování vývoje kvantového systému

Vědci připravili systém v nerovnovážném stavu a poté sledovali, jak se časem mění. To jim umožnilo detekovat vznik efektivních nábojů a rekonstruovat dynamiku spojenou se simulovaným procesem rozbíjení strun. Aby ověřili výsledky, tým také modeloval stejný proces pomocí klasického počítače. Klasické výpočty se shodovaly s experimentálními výsledky produkovanými kvantovým simulátorem.

Směřování k simulacím nad rámec superpočítačů

Výsledky s uvězněnými ionty představují další krok směrem k kvantovým simulacím, které jsou příliš složité i pro nejvýkonnější konvenční superpočítače na světě. Pokud budou kvantové systémy nadále růst, vědci by je mohli nakonec použít k zkoumání otázek, které je obtížné nebo nemožné přímo reprodukovat v laboratoři, včetně toho, jak se hmota chovala a vyvíjela krátce po Velkém třesku.

„Jako fyzik je neuvěřitelně vzrušující zkoumat podmínky raného vesmíru v počítačovém stroji na atomové úrovni,“ řekla Zohreh Davoudi, docentka fyziky na UMD, která byla součástí výzkumného týmu.

Podpora výzkumu

Výzkum byl podpořen Ministerstvem energetiky (DE-SC0020312, DE-SC0025341, DESC0019040, DE-SC0024220, DE-SC0020271), Národní vědeckou nadací (OMA-2120757), Úřadem pro vědecký výzkum letectva, Agenturou pro pokročilé obranné výzkumné projekty a Amazon Web Services.