Duke Quantum Center зерттеу тобы бөлшек-антибөлшек жұптарының түзілуімен байланысты жіптердің үзілу динамикасын зерттеу үшін кванттық симуляторды қолданды. Бұл тәжірибе кванттық физикада осындай алғашқы көрсетілімдердің бірі болды.

23 қыркүйекте Nature Physics журналында жарияланған жұмыс иондық кванттық компьютерлердің іргелі физикалық процестерді зерттеуге пайдаланылуы мүмкін екенін көрсетті. Эксперимент барысында екі байланысқан материя элементі бір-бірінен алыстап, байланыс үзілу кезінде жаңа бөлшектердің пайда болуына жеткілікті энергия жиналған жағдай модельденді. Кванттық симуляциялар материяның түзілуі сияқты күрделі құбылыстарды зерттеуге тиімді платформа ұсынады, оларды тікелей бақылау мүмкін емес, мысалы, Үлкен жарылыс жағдайында. Алынған нәтижелер кванттық ғылымдағы елеулі ілгерілеуді көрсетіп, жіптердің үзілу динамикасын зерттеудің жаңа мүмкіндіктерін ашады.

Зерттеу халықаралық командамен жүргізілді, оған Мэриленд университеті, Оксфорд университеті, Калифорния технологиялық институты, Корнелл университеті және KU Leuven мамандары кірді. Нәтижелер жақында басқа жұмыстармен қатар жарияланды, онда ұқсас физикалық процестер әртүрлі кванттық есептеу құрылғыларында қайталанды.

Кварктар материяның негізгі құрылыс блоктарының бірі болып табылады және протондар мен нейтрондардың ішінде орналасады, олардың өлшемі атомнан миллиард есе кіші. Қазіргі уақытта оқшауланған кварктарды тікелей бақылау мүмкін емес, себебі олар әдетте бір-бірімен тығыз байланыста болады.

Кварктар арасындағы байланысты екі зарядталған бөлшекті созылған жіппен байланыстырылғандай елестетуге болады. Олардың арақашықтығы артқан сайын бұл байланыстағы энергия да өседі. Белгілі бір сәтте жиналған энергия Эйнштейннің E=mc² теңдеуімен түсіндірілетін қосымша зарядталған бөлшектердің түзілуіне жеткілікті болады. Нәтижесінде бастапқы байланыс үзіліп, жаңа бөлшек жұптары пайда болады. Мұндай процестер айтарлықтай энергияны талап етеді және тек экстремалды жағдайларда, мысалы, Үлкен адрондық коллайдерде немесе Үлкен жарылыстан кейінгі алғашқы сәттерде жүреді.

Жаңа экспериментте Duke тобы иондар тұзағындағы платформа арқылы жіптің үзілуіне ұқсас процесті қайталады. Кванттық симуляторлар жүйені дәл басқарып, оны атомдық және субатомдық деңгейдегі физикалық процестерді имитациялауға бағдарламалауға мүмкіндік береді.

Симуляция жүргізу үшін 13 ионнан тұратын тізбекте жіптің үзілу моделі кодталды. Басқарылатын лазер сәулелері иондар арасындағы өзара әрекеттесуді реттеуге қолданылып, жүйенің энергиясын бақылауға және бөлшек «жібінің» созылуы мен үзілуін қайталауға мүмкіндік берді.

Жүйе тепе-теңсіз күйге дайындалып, кейін оның уақыт бойынша эволюциясы бақыланды. Бұл тиімді зарядтардың пайда болуын тіркеуге және симуляциядағы жіптің үзілу процесімен байланысты динамиканы қалпына келтіруге мүмкіндік берді.

Нәтижелерді тексеру үшін команда осы процесті классикалық компьютерде де модельдеді. Классикалық есептеулер кванттық симуляторда алынған эксперименттік деректермен сәйкес келді. Қазіргі күрделілік деңгейінде классикалық компьютерлер мұндай тапсырмаларды орындай алады, бірақ эксперименттер ауқымы ұлғайған сайын кванттық компьютерлер классикалық машиналарға қолжетімсіз есептерді шеше алады деп күтілуде.

Басқа зерттеу топтары да жақында әртүрлі кванттық жабдықтарды пайдаланып ұқсас нәтижелерге қол жеткізді. Google және QuEra Computing командалары сәйкесінше асаөткізгіш схемалар мен бейтарап атомдар арқылы жіптің үзілуінің ұқсас модельдерін қайталады. Әр тәсілдің өз артықшылықтары мен шектеулері бар.

Тұзақтағы иондармен алынған нәтижелер кванттық симуляцияларға тағы бір қадам болып табылады, олар тіпті ең қуатты қазіргі суперкомпьютерлер үшін де тым күрделі болады. Болашақта кванттық жүйелерді ауқымдау арқылы зертханалық жағдайда қайталау қиын немесе мүмкін емес процестерді, соның ішінде Үлкен жарылыстан кейінгі материяның мінез-құлқын зерттеуге болады.

Тепе-теңсіз физика модельдерінен алынған шағын жаңалықтардың өзі болашақта ерте Ғаламның жағдайларын тереңірек түсінуге жол ашуы мүмкін.