Квантовый симулятор показал, как при разрыве энергетической струны возникают пары частиц
Квантовый симулятор на захваченных ионах позволил в реальном времени проследить процесс, напоминающий рождение новых пар частиц при разрыве связывающей их «струны». Эксперимент показал, как новые пары зарядов возникают возле краёв такой струны, а затем распространяются внутрь неё. Исследователи считают, что подобные системы в будущем помогут изучать процессы, происходящие при столкновениях элементарных частиц и в горячей материи ранней Вселенной.
В основе работы лежит одна из фундаментальных особенностей сильного взаимодействия — конфайнмент кварков. Кварки не наблюдаются поодиночке и входят в состав адронов, включая протоны и нейтроны. Упрощённо связь между кварком и антикварком можно представить в виде своеобразной энергетической струны. Чем дальше частицы удаляются друг от друга, тем больше энергии накапливается в этой связи.
В какой-то момент становится энергетически выгоднее образовать новую пару кварк–антикварк. В результате исходная струна разрывается и возникают новые связанные состояния. Такие процессы рассматриваются как важная часть превращения кварков и глюонов в обычные частицы после высокоэнергетических столкновений. Они также могут быть связаны с эволюцией вещества в ранней Вселенной после Большого взрыва.
Непосредственно рассчитывать развитие подобных квантовых систем чрезвычайно сложно. При неравновесной динамике быстро растёт квантовая запутанность, из-за чего требования к вычислительным ресурсам классических компьютеров могут резко увеличиваться. Поэтому исследователи рассматривают программируемые квантовые симуляторы как один из возможных способов изучения таких процессов.
В новом эксперименте команда использовала программируемый квантовый симулятор на захваченных ионах. Каждый ион играл роль управляемого квантового элемента, а массив сфокусированных лазерных лучей позволял независимо задавать необходимые взаимодействия и локальные поля. На этой платформе исследователи реализовали одномерную Z₂-калибровочную теорию — упрощённую квантовую модель, в которой можно воспроизвести ключевые особенности удержания зарядов и разрыва связывающей их струны.
Сначала учёные проследили за поведением отдельного заряда. Когда натяжение струны отсутствовало, он мог свободно распространяться по моделируемой системе. По мере увеличения натяжения движение ограничивалось, и вместо свободного распространения возникали локализованные когерентные колебания. Так квантовый симулятор воспроизводил эффект удержания заряда.
Затем исследователи подготовили состояние, соответствующее струне, растянутой между двумя неподвижными внешними зарядами, и резко изменили параметры системы. После этого они наблюдали её дальнейшую эволюцию с пространственным и временным разрешением.
Именно здесь обнаружился наиболее интересный результат. Новые пары зарядов возникали преимущественно возле двух краёв струны. При небольшом натяжении они оставались вблизи этих областей и совершали когерентные колебания. Когда натяжение увеличивали, образовавшиеся пары начинали распространяться от краёв к центральной части системы, постепенно разрушая исходную струну.
Такое поведение оказалось отличным от классического сценария рождения пар, известного как механизм Швингера. В нём вероятность появления пар в объёме системы должна резко зависеть от напряжённости поля. В эксперименте образование пар возле концов струны происходило по другому сценарию, а время начала процесса и характерные колебания сравнительно слабо менялись при изменении исследованных параметров. Авторы рассматривают это как свидетельство другого механизма неравновесного разрыва струны.
Теоретический анализ помог объяснить наблюдаемую картину. Сразу после резкого изменения параметров система переходит в квантовую суперпозицию состояний, содержащих пары зарядов в различных положениях. Энергетическая стоимость их возникновения оказывается минимальной возле границ струны. После появления пары могут квантово распространяться дальше, а при достаточном натяжении путь из краевых областей к центральной части системы становится энергетически доступным.
Эксперимент также позволил проследить появление и рост областей, соответствующих разрушенной струне. При наличии конфайнмента распределение таких областей со временем формировало дополнительный максимум, перемещавшийся в сторону больших размеров. Эти измерения подтвердили, что исследователи наблюдали не просто локальные флуктуации, а развивающийся процесс разрушения исходного состояния.
При этом настоящие кварки или другие элементарные частицы внутри установки не создавались. Захваченные ионы воспроизводили математическую динамику упрощённой квантовой теории. Более того, использованная одномерная Z₂-модель значительно проще квантовой хромодинамики, описывающей сильное взаимодействие в реальном трёхмерном пространстве. Полноценный квантовый симулятор квантовой хромодинамики пока остаётся за пределами возможностей существующих установок.
Разрыв струны на квантовых платформах также нельзя считать впервые наблюдавшимся именно в этой работе. Исследования этого процесса уже проводились на других квантовых архитектурах, а та же группа ранее изучала адиабатическую и неадиабатическую динамику разрыва струны на системе захваченных ионов. Новая работа сосредоточена на пространственно-временной картине далёкой от равновесия динамики и выявленном механизме, при котором образование пар начинается возле концов струны.
Следующим шагом могут стать эксперименты с удаляющимися внешними зарядами, полностью динамическими струнами и более сложными калибровочными теориями. Авторы рассчитывают, что дальнейшее развитие программируемых квантовых симуляторов позволит приблизиться к моделированию фрагментации струн и образования адронов в высокоэнергетических столкновениях — процессов, которые чрезвычайно трудно воспроизводить классическими вычислительными методами.
Исследование в журнале Nature Physics.