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研究人员在量子模拟器上观察到了弦断裂动力学现象，这可能有助于探索与宇宙大爆炸相关的问题。这是一幅弦断裂的艺术化渲染图。图片来源：杜克大学 Emily Edwards
杜克量子中心的一项新研究表明，量子模拟器可以帮助研究人员探索粒子形成以及大爆炸之后的条件。
夸克是构成物质的基本单元，但它们从不单独存在。夸克被紧密地束缚在质子和中子内部，成对的夸克就像被一根绷紧的弦连接在一起。将它们分开需要巨大的能量，当连接最终断裂时，积累的能量会转化为全新的粒子。这个过程被称为弦断裂，通常只发生在极端环境下，例如大型强子对撞机或宇宙大爆炸后的瞬间。
由杜克大学量子中心教授领导的研究团队，利用由13个囚禁离子（即带电原子）构成的量子模拟器，成功重现了类似的现象。通过对这些离子进行编程，使其遵循特定的数学模型，研究人员得以追踪模拟弦的断裂过程以及有效电荷的产生。该研究成果于9月23日发表在《自然·物理学》杂志上，是该领域首批模拟粒子-反粒子形成过程中弦断裂动力学的量子模拟之一。
激光控制下的断弦
夸克本身比原子小约十亿倍，目前无法直接观测。量子模拟器使得研究人员能够通过可控系统来研究夸克的行为模型。在杜克大学的实验中，精确定向的激光束调节了离子间的相互作用，使这些相互作用能够模拟拉伸夸克间连接时产生的能量积累。
由这种能量产生的粒子反映了爱因斯坦质能方程 E = mc² 所描述的质量与能量之间的关系。当新粒子“凭空产生”且弦断裂时，原本只有一对粒子的位置会剩下两对或更多对粒子。为了在模拟器中模拟类似的转变，研究人员将离子链制备成非平衡状态，这意味着它最初处于一种会演化而非保持平衡的状态。然后，他们追踪了有效电荷（代表带电粒子的模型特征）的出现，并重建了由此产生的弦动力学。
这是表面离子阱的特写照片，该技术是本研究中使用的量子计算技术之一。图片来源：杜克大学
“在量子模拟和高能物理的交叉领域开展研究令人无比兴奋，”论文第一作者、曾任克里斯托弗·门罗（Christopher Monroe）实验室博士生的阿林乔伊·德（Arinjoy De）说道。门罗教授领导了这项研究，目前是杜克大学电子与计算机工程和物理学教授。德现在是QuEra Computing公司的生产机器负责人。“通过在可控的实验室环境中模拟夸克禁闭和弦断裂现象，我们正在为从最基本的层面探索物质行为开辟新的实验途径。”
量子力学结果通过了经典检验
研究人员通过在经典计算机上运行相同的模型来验证他们的结果。计算结果与实验结果的一致性证实，量子模拟器在所测试的规模下能够精确地重现模型。未来的挑战在于扩展这些模拟，使其能够解决经典计算机（包括最大的超级计算机）都无法处理过的复杂问题。
这将使研究人员能够研究有关物质如何演化的更具挑战性的问题，包括在大爆炸之后的条件下。
“作为一名物理学家，能够利用原子级计算机来研究早期宇宙的状况，真是令人无比兴奋，”马里兰大学物理学副教授、研究团队成员佐赫雷·达乌迪说道。“即使是从非平衡物理模型中获得的最细微的见解，也将在未来指引我们。”
三个平台，一个量子基准测试
由杜克大学牵头的这项合作研究汇集了来自马里兰大学、牛津大学、加州理工学院、康奈尔大学和鲁汶大学的研究人员。其研究成果与另外两项已发表的类似研究相吻合，这两项研究利用不同的量子计算技术在其他模型中重现了弦断裂现象。
由谷歌和 QuEra Computing 领导的团队分别使用了超导电路和中性原子。每种方法都有其自身的优势和挑战，因此，在这些系统中重现这种现象，可以让我们比较不同类型的量子硬件的性能。
“这三个平台是量子计算领域的领军者，因此对于量子计算界来说，这是一个很好的基准和比较，”领导杜克大学研究的门罗说道，他是吉尔胡利家族总统杰出电气与计算机工程和物理学教授。
“量子计算机模拟为研究物质形成等复杂问题提供了最佳平台，其效果仅次于亲眼目睹宇宙大爆炸本身，”门罗说。“这些发现标志着量子科学领域取得了显著进展，并为我们理解弦的断裂动力学开辟了新的途径。”
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