Исследователи из Квантового центра Дьюка опубликовали в среду в журнале Nature Physics результаты наблюдений динамики разрыва струн на квантовом симуляторе с захваченными ионами

Квантовое устройство имитирует появление материи в реальности

Новое исследование, проведенное Квантовым центром Университета Дьюка, демонстрирует возможность проведения экспериментов, связанных с Большим взрывом и физикой высоких энергий.

Исследователи из Квантового центра Дьюка с помощью квантового симулятора на захваченных ионах наблюдали динамику разрыва струн — процесс, связанный с возникновением материи в первые мгновения после Большого взрыва. Результаты работыопубликованы  в среду в журнале Nature Physics.

Эксперимент воспроизводит явление из квантовой теории поля, при котором две удерживаемые фундаментальные частицы, связанные подобно натянутой струне, растягиваются до тех пор, пока накопленной энергии не становится достаточно для спонтанного рождения новых пар частица–античастица. В природе этот процесс возможен лишь в экстремальных условиях — таких как те, что создаются на Большом адронном коллайдере или существовали в первые мгновения после Большого взрыва.

Как это работает

Для воспроизведения эффекта команда закодировала модель разрыва струны в цепочке из 13 захваченных ионов и использовала точно управляемые лазерные лучи для настройки взаимодействий между ними, имитируя растяжение и разрыв связи между заряженными частицами. Подготовив систему в неравновесном состоянии и отслеживая её эволюцию, исследователи наблюдали возникновение эффективных зарядов и восстановили возникающую динамику.

«Квантовые компьютерные симуляции — лучшая платформа для изучения сложных вопросов, таких как формирование материи, за исключением непосредственного наблюдения Большого взрыва», — сказал Кристофер Монро, заслуженный президентский профессор Гилхули в области электротехники, компьютерных технологий и физики в Университете Дьюка, руководивший исследованием.

Сравнение трёх платформ

Результаты команды Дьюка дополняют схожие данные, полученные группами под руководством Google и QuEra Computing, которые моделировали разрыв струн на платформах со сверхпроводящими схемами и нейтральными атомами соответственно. Команда QuEra совместно с Инсбрукским университетом и Гарвардом сообщила о первом наблюдении разрыва струн в двумерном квантовом симуляторе — результаты были опубликованы в отдельной статье в Nature в прошлом году. В ещё одном эксперименте группа из Китайского университета науки и технологий продемонстрировала лежащий в основе механизм с помощью оптической решётки.

«Это три платформы, которые возглавляют гонку в квантовых вычислениях, так что перед квантовым сообществом открывается прекрасная возможность для сравнительного анализа», — сказал Монро.

Взгляд в будущее

Классические компьютерные симуляции, которые команда проводила параллельно с квантовым экспериментом, подтвердили его точность, однако по мере роста масштабов задач справляться с вычислениями смогут только квантовые компьютеры. «Как физику, мне невероятно интересно исследовать условия ранней Вселенной на вычислительной машине атомного уровня», — сказала Зохре Давуди, доцент кафедры физики Университета Мэриленда и член исследовательской группы. «Даже мельчайшие открытия, полученные в рамках модели неравновесной физики, станут для нас ориентиром в будущем».

Источники публикации

https://www.nature.com/articles/s41567-026-03422-0

https://pratt.duke.edu/news/quantum-simulation-string-breaking/

Схожих результатов на других платформах добились команды Google и QuEra Computing, что позволило установить трёхсторонний эталон для квантовых вычислений.

Сжатое обобщение публикации в блоге

Исследователи использовали квантовый симулятор на 13 ионах для наблюдения динамики разрыва струн, связанной с образованием частиц вскоре после Большого взрыва.

Исследователи из Квантового центра Дьюка опубликовали в среду в журнале Nature Physics результаты наблюдений динамики разрыва струн на квантовом симуляторе с захваченными ионами.

В ходе эксперимента воссоздаётся процесс, при котором натянутые связи между удерживаемыми частицами обрываются, спонтанно порождая новые пары частица–античастица.