Za badaniami stoi międzynarodowy zespół, na czele którego stanęli uczeni ze wspomnianego Duke Quantum Center. Wspólnymi silami uczeni doprowadzili do historycznych obserwacji analogicznego zjawiska rozpadu struny z wykorzystaniem komputera kwantowego opartego na uwięzionych jonach.
Czytaj też: Ze światła zrobili maszynę kwantową. Ma wielką przewagę nad konkurencją
Aby zrozumieć znaczenie tych badań, musimy przyjrzeć się najmniejszym składnikom materii. Kwarki są fundamentalnymi cząstkami, które występują między innymi wewnątrz protonów i neutronów. Nie obserwuje się ich jednak bezpośrednio w izolacji. Są związane ze sobą za pomocą oddziaływania opisywanego w ramach chromodynamiki kwantowej. Naukowcy wykorzystują czasem obraz dwóch kwarków połączonych niewidzialną struną, aby w uproszczony sposób przedstawić działanie tego mechanizmu.
Jeżeli takie związane ze sobą składniki się od siebie oddalają, energia układu rośnie. W pewnym momencie zgromadzona energia może stać się wystarczająca do utworzenia kolejnych cząstek. Zamiast więc uzyskać dwa całkowicie rozdzielone kwarki, powstają nowe pary cząstek. To właśnie analogiczny proces naukowcy określają mianem rozpadu struny.
Zjawisko to wymaga ekstremalnych warunków energetycznych. W naturze może wiązać się między innymi z procesami zachodzącymi podczas zderzeń cząstek o bardzo wysokich energiach, a także z warunkami panującymi we wczesnym wszechświecie. Bezpośrednie odtworzenie takich realiów w laboratorium jest niezwykle trudne. Badacze wykorzystali więc symulator kwantowy, który pozwolił im odwzorować matematyczny opis badanego procesu w kontrolowanym środowisku.
W eksperymencie naukowcy zakodowali model rozpadu struny w układzie złożonym z 13 uwięzionych jonów. Za pomocą precyzyjnie kontrolowanych wiązek laserowych mogli regulować oddziaływania pomiędzy jonami i zmieniać energię całego układu. W ten sposób przygotowali stan nierównowagowy, a następnie obserwowali, jak system ewoluuje w czasie. Pozwoliło to zarejestrować pojawianie się efektywnych ładunków oraz odtworzyć dynamikę odpowiadającą rozpadowi struny.
Istotnym elementem eksperymentu było również porównanie wyników uzyskanych za pomocą symulatora kwantowego z obliczeniami wykonanymi na klasycznym komputerze. Dzięki temu badacze mogli potwierdzić poprawność wyników eksperymentalnych. Klasyczne komputery są jednak coraz mniej praktyczne wraz ze wzrostem rozmiaru i złożoności symulowanego układu. Jednym z celów dalszych badań jest więc wykorzystanie komputerów kwantowych do analizowania problemów, których rozwiązanie klasycznymi metodami byłoby zbyt wymagające obliczeniowo.
Zdaniem badaczy tego typu eksperymenty mogą w przyszłości pozwolić na badanie problemów, których nie da się łatwo analizować tradycyjnymi metodami. Interesujące wydaje się wykorzystanie symulatorów kwantowych do badania zachowania materii w warunkach dalekich od równowagi, podobnych pod pewnymi względami do tych, które mogły występować we wczesnym wszechświecie. Laboratoryjne odtworzenie kwantowej dynamiki procesu, w którym energia układu może prowadzić do powstawania nowych cząstek to coś, co wydaje się najważniejszym osiągnięciem autorów powyższych badań.
Źródło: Nature Physics
