Квантовый симулятор воспроизвел процесс рождения новых частиц при "разрыве струны"

Физики впервые проследили в реальном времени динамику так называемого разрыва струны в программируемом квантовом симуляторе на захваченных ионах. Эксперимент воспроизводит в упрощенной модели один из фундаментальных процессов сильного взаимодействия, при котором энергия связи между частицами превращается в новые пары частиц. Работа опубликована в Nature Physics.

Кварки в природе невозможно отделить друг от друга и наблюдать поодиночке. Если пытаться развести кварк и антикварк, энергия связывающего их поля растет, словно между ними натягивается струна. В определенный момент энергетически выгоднее создать новую пару кварк-антикварк: исходная "струна" разрывается, а вместо двух изолированных кварков возникают новые связанные системы.

Непосредственно моделировать такую динамику квантовой хромодинамики чрезвычайно сложно даже для мощных классических компьютеров. Поэтому исследователи использовали упрощенную одномерную калибровочную модель и реализовали ее на цепочке из 13 захваченных ионов иттербия-171. Лазеры позволяли независимо управлять взаимодействием отдельных ионов и имитировать заряды, электрическое поле и натяжение "струны".

После резкого увеличения натяжения исследователи наблюдали появление новых пар зарядов возле концов струны. Затем при достаточно сильном натяжении они распространялись внутрь системы, фактически разрывая исходную связь. Причем механизм оказался отличным от классического механизма Швингера, при котором пары должны возникать по всему объему поля.

Эксперимент не означает, что квантовый компьютер в буквальном смысле создавал реальные элементарные частицы: ионы лишь воспроизводили математические законы упрощенной квантовой теории поля. Однако такие симуляторы могут дать возможность исследовать процессы, которые трудно рассчитывать традиционными методами, включая динамику сильного взаимодействия, столкновения тяжелых ионов и некоторые процессы ранней Вселенной.