Η «γέννηση» νέων σωματιδίων από ενέργεια είναι ένα από τα πιο εντυπωσιακά φαινόμενα της θεμελιώδους φυσικής. Ερευνητές με επικεφαλής το Duke Quantum Center κατάφεραν να παρατηρήσουν σε κβαντικό προσομοιωτή μια ελεγχόμενη εκδοχή της διαδικασίας string breaking, προσφέροντας ένα νέο παράθυρο σε συνθήκες που θυμίζουν τη φυσική του πρώιμου Σύμπαντος.
Τι σημαίνει «σπάσιμο χορδής» στη σωματιδιακή φυσική
Στο μοντέλο που μελέτησε η ομάδα, δύο αποτελεσματικά «φορτία» συνδέονται με μια χορδή ενέργειας. Όσο απομακρύνονται, η ενέργεια στη σύνδεση αυξάνεται. Όταν γίνει αρκετά μεγάλη, μπορεί να δημιουργηθούν νέα ζεύγη σωματιδίων και η αρχική σύνδεση να σπάσει, αντί να μείνει ένα απομονωμένο ζεύγος.
Η εικόνα βοηθά να κατανοήσουμε γιατί τα κουάρκ δεν παρατηρούνται ελεύθερα: μέσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια παραμένουν ισχυρά δεμένα. Σε ακραίες συνθήκες, όπως εκείνες που δημιουργούνται σε συγκρούσεις υψηλής ενέργειας ή θεωρείται ότι υπήρχαν λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, η συσσωρευμένη ενέργεια μπορεί να οδηγήσει σε δημιουργία νέας ύλης.
Ένα εργαστήριο με 13 παγιδευμένα ιόντα
Οι ερευνητές κωδικοποίησαν το μοντέλο σε μια αλυσίδα 13 ιόντων που συγκρατούνται με ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Με προσεκτικά ρυθμισμένες ακτίνες λέιζερ έλεγξαν τις αλληλεπιδράσεις τους και τη ροή ενέργειας, ώστε το σύστημα να μιμηθεί το τέντωμα και το σπάσιμο της αποτελεσματικής χορδής.
Η ομάδα έβαλε το σύστημα σε κατάσταση εκτός ισορροπίας και παρακολούθησε την εξέλιξή του στον χρόνο. Έτσι εντόπισε την εμφάνιση αποτελεσματικών φορτίων και ανακατασκεύασε τη δυναμική της προσομοιωμένης διαδικασίας. Οι υπολογισμοί σε κλασικό υπολογιστή συμφώνησαν με τα πειραματικά αποτελέσματα.
Τι απέδειξε — και τι δεν απέδειξε — το πείραμα
Το αποτέλεσμα δεν είναι μια μικρή αναπαραγωγή της Μεγάλης Έκρηξης ούτε άμεση δημιουργία πραγματικών κουάρκ στο εργαστήριο. Είναι μια ελεγχόμενη κβαντική προσομοίωση ενός θεωρητικού μοντέλου, σχεδιασμένη για να απομονώσει και να μελετήσει τη δυναμική του string breaking.
Η σημασία του βρίσκεται στο ότι οι κβαντικοί προσομοιωτές μπορούν να εξετάσουν με ακρίβεια φαινόμενα που γίνονται όλο και δυσκολότερα για τους κλασικούς υπολογιστές όσο αυξάνεται η κλίμακα. Σε αυτή τη μικρή εκδοχή, οι κλασικοί υπολογισμοί παραμένουν εφικτοί· το ζητούμενο είναι να μεγαλώσουν τα μελλοντικά πειράματα μέχρι το σημείο όπου οι κβαντικές μηχανές θα προσφέρουν ουσιαστικό πλεονέκτημα.
Ένα benchmark για διαφορετικές κβαντικές πλατφόρμες
Η εργασία, που δημοσιεύθηκε στο Nature Physics, εντάσσεται σε μια σειρά πρόσφατων πειραμάτων με διαφορετικό κβαντικό υλικό. Άλλες ομάδες έχουν μελετήσει συγγενή μοντέλα με υπεραγώγιμα κυκλώματα και ουδέτερα άτομα. Η σύγκριση των πλατφορμών μπορεί να δείξει ποια προσφέρει καλύτερο έλεγχο, ακρίβεια και δυνατότητα κλιμάκωσης για προβλήματα της θεμελιώδους φυσικής.
Για την ώρα, το μήνυμα είναι μετρημένο αλλά σημαντικό: ένα σύστημα 13 ιόντων μπορεί να λειτουργήσει ως εργαστήριο για τη μελέτη του τρόπου με τον οποίο η ενέργεια μετατρέπεται σε νέα αποτελεσματικά φορτία. Το επόμενο βήμα δεν είναι να «ξαναδημιουργηθεί» το Σύμπαν, αλλά να δοκιμαστεί αν τέτοιες προσομοιώσεις μπορούν να φτάσουν σε καθεστώτα που δεν προσεγγίζονται με συμβατικούς υπολογιστές.
Πηγή: ScienceDaily — Quantum computer simulates matter “popping into existence”