Simulatorul cuantic reproduce ruperea corzilor și formarea perechilor de particule
Cercetătorii de la Centrul Cuantic Duke au observat, cu ajutorul unui simulator cuantic bazat pe ioni captivi, dinamica ruperii corzilor asociată formării perechilor particulă-antiparticulă. Rezultatele, publicate în revista Nature Physics, arată că aceste dispozitive pot fi folosite pentru a explora întrebări fundamentale despre univers, inclusiv formarea materiei după Big Bang.
Experimentul reproduce un fenomen în care două componente fundamentale ale materiei, conectate printr-un fel de „coardă”, sunt îndepărtate una de cealaltă până când energia acumulată devine suficientă pentru ca noi particule să apară în momentul ruperii legăturii. „Simulările pe computer cuantic oferă cea mai bună platformă pentru a investiga întrebări complexe precum formarea materiei, în lipsa posibilității de a fi martori la Big Bang”, a declarat Christopher Monroe, profesor la Duke și coordonatorul cercetării.
Quarci, confinare și energia necesară ruperii
Quarcile, componentele fundamentale ale materiei, există doar legate între ele în interiorul particulelor precum protonii și neutronii. Sunt de aproximativ un miliard de ori mai mici decât un atom și nu pot fi observate direct în prezent. O pereche de quarci poate fi imaginată ca două particule încărcate minuscule, legate printr-o coardă tensionată: rămân împreună, iar separarea lor necesită o cantitate importantă de energie. Odată forțate să se despartă, energia acumulată în legătură poate fi suficientă pentru a crea particule încărcate suplimentare, deoarece masa și energia sunt direct legate prin ecuația lui Einstein, E=mc². În acel moment, coarda se rupe, lăsând două sau mai multe perechi de particule în loc de una singură. Procesul necesită însă atât de multă energie încât se produce doar în medii extreme, precum Marele Accelerator de Hadroni sau în urma Big Bang-ului.
Cum a fost realizată simularea
Pentru experiment, echipa a codificat un model de rupere a corzilor într-un lanț de 13 ioni captivi. Cu ajutorul unor fascicule laser controlate cu precizie, cercetătorii au reglat interacțiunile dintre ioni, controlând astfel energia sistemului într-un mod care imită întinderea și ruperea unei corzi. Pregătind sistemul într-o stare de neechilibru și urmărindu-i evoluția în timp, cercetătorii au observat apariția sarcinilor efective și au reconstruit dinamica rezultată a corzilor. Rezultatele au fost verificate printr-o simulare pe un computer clasic, care a confirmat acuratețea calculelor. Pe măsură ce problema devine mai complexă, doar computerele cuantice, nu cele clasice, vor putea rezolva astfel de probleme.
La cercetare au participat și Universitatea Maryland, Universitatea Oxford, Institutul de Tehnologie din California, Universitatea Cornell și KU Leuven. Rezultatele se alătură altor două studii similare, conduse de echipe diferite, care au simulat același fenomen pe alte platforme de calcul cuantic: circuite superconducting, respectiv atomi neutri.
Perspective pentru studiul universului timpuriu
Rezultatele obținute pe platforma cu ioni captivi reprezintă un pas spre simulări cuantice suficient de complexe pentru a depăși capacitățile chiar și celor mai mari supercomputere. Astfel de simulări ar putea permite cercetătorilor să exploreze întrebări fundamentale despre univers, cum ar fi modul în care materia a evoluat după Big Bang. „Ca fizician, este extrem de captivant să investighezi condițiile universului timpuriu într-o mașină de calcul la nivel atomic. Chiar și cele mai mici indicii dintr-un model de fizică a stărilor de neechilibru ne vor ghida în viitor”, a declarat Zohreh Davoudi, profesor asociat de fizică la Universitatea Maryland și membru al echipei de cercetare.
