Что такое разрыв струны

Кварки — это «кирпичики» протонов и нейтронов. В природе они никогда не бывают свободными: их удерживает вместе сильное взаимодействие, словно натянутая веревка. Чем сильнее тянешь, тем больше энергия — и в какой-то момент она «взрывается» новыми частицами. Именно так могло происходить в ранней Вселенной. Согласно теории сильного взаимодействия, потенциальная энергия между кварком и антикварком растет без предела по мере увеличения расстояния между ними — пока не превысит удвоенную массу кварка и не вызовет рождение новой пары. В природе такие процессы требуют экстремальных энергий: они возникают, например, при столкновениях частиц в Большом адронном коллайдере или в условиях ранней Вселенной. На LHC физики сталкивают тяжелые ядра, чтобы на долю мгновения создать плазму кварков и глюонов — суп из частиц, имитирующий условия ранней Вселенной.

Эксперимент на квантовом компьютере

Ученые закодировали модель в цепочку из 13 захваченных ионов иттербия-171 и управляли ими лазерными импульсами. Реальная цепочка состояла из 15 ионов, но два крайних служили только для удержания в ловушке — в симуляции они не участвовали. Лазерные импульсы точно настраивали взаимодействия между ионами и меняли энергию системы так, чтобы она имитировала растяжение и разрыв «струны». Исследователи вывели систему из равновесия и наблюдали, как она эволюционирует со временем. Модель — упрощение: калибровочная теория работает в одном пространственном и одном временном измерении, а не в трех пространственных. Авторы признают: симуляция полной квантовой хромодинамики пока не под силу ни одной квантовой платформе.

Результаты и неожиданности

В ходе эксперимента ученые увидели появление эффективных зарядов и восстановили динамику процесса. Результаты проверили на классическом компьютере — симуляция подтвердила точность квантовых измерений. Но обнаруженное не полностью совпало с теоретическими ожиданиями. Спонтанное рождение пар частиц обычно объясняют механизмом Швингера: пары возникают равномерно по всему объему, а скорость процесса крайне чувствительна к параметрам системы. Однако в эксперименте зарядовые пары появлялись систематически на краях струны, рядом с фиксированными зарядами, и распространялись внутрь, как только напряжение становилось достаточно высоким. Временной масштаб почти не менялся при изменении параметров — полная противоположность чувствительности механизма Швингера.

Пока неясно, играет ли такой краевой механизм разрыва роль в реальных космологических сценариях.

Перспективы и сравнение платформ

«Лучшая платформа для изучения образования материи — если только не наблюдать сам Большой взрыв», — говорит руководитель работы профессор Кристофер Монро.

Аналогичные эксперименты уже провели другие научные группы — на сверхпроводниках и нейтральных атомах. В Duke Quantum Center подчеркивают: три разных подхода дают возможность сравнить возможности различных квантовых архитектур.

В будущем ученые планируют масштабировать систему так, чтобы классические компьютеры уже не справлялись — именно здесь квантовые симуляторы получат преимущество. Они надеются расширить модель и изучать более сложную эволюцию материи после Большого взрыва. Пока же симуляцию с 13 ионами можно проверить на обычном компьютере — что команда и сделала. Авторы признают: их модель — упрощение сильного ядерного взаимодействия. Более реалистичные теории с большим числом измерений и сложными симметриями пока симулировать невозможно.