由杜克量子中心（DQC）领导的研究人员使用量子模拟器观察了与粒子反粒子形成相关的弦断裂动态，这标志着量子物理中此类实验的早期示范之一。这项研究于9月23日发表在《自然物理》上，展示了被捕获的离子量子计算机如何成为探索基本物理学一些深刻问题的强大工具。实验模拟了一种称为弦断裂的过程，在该过程中，两个连接的物质构建块被拉开，直至积累足够的能量，新的粒子在连接断裂时有效地“瞬间产生”。杜克大学电气与计算机工程及物理学的吉尔哈利家族杰出教授克里斯托弗·门罗表示：“量子计算机模拟提供了调查物质形成等复杂问题的最佳平台，几乎可以媲美亲历大爆炸。”他领导的这项研究指出：“这些发现标志着量子科学领域的显著进展，并为我们理解弦断裂动态开辟了新途径。”这项研究是在一个国际合作的框架内进行的，参与者包括马里兰大学（UMD）、牛津大学、加利福尼亚理工学院、康奈尔大学和鲁汶大学的研究人员。这些发现与其他两个最近发布的研究结果同时出现，这些研究团队使用不同类型的量子计算硬件重现了类似的物理现象。夸克为何不能简单地分开夸克被认为是已知物质中最基本的构建块之一。它们存在于质子和中子等粒子内部，体积大约是一个原子的十亿分之一。科学家目前无法直接观察到孤立的夸克，因为夸克通常紧密结合在一起。一种直观的想象方式是想象两个微小的带电粒子通过一根紧绷的弦连接在一起。当它们被拉得越远，连结之间储存的能量就越多。最终，足够的能量可以积累到创造新的带电粒子。这是可行的，因为质量和能量通过爱因斯坦著名的方程E=mc²相关联。最终，原始连接断裂，形成新的粒子对。这种过程需要巨大的能量，通常只在极端条件下发生，例如大型强子对撞机内部创造的条件或相信在大爆炸后不久就存在的条件。在量子机器中重现弦断裂在新的实验中，杜克团队利用被捕获的离子量子平台重现了类似的弦断裂行为。量子模拟器特别适合这类工作，因为研究人员可以精确控制它们并编程使其模拟发生在原子和亚原子尺度上的物理过程。论文的第一作者阿林乔伊·德表示：“在量子模拟与高能物理的交叉领域工作令人振奋。”他曾是门罗实验室的博士生，现在是QuEra Computing的生产机器负责人。“通过在受控实验室环境中模拟夸克禁闭和弦断裂现象，我们为对物质在其最基本层面上的行为进行实验性探究开辟了新路径。”为了建立模拟，研究人员将一个弦断裂模型编码成13个被捕获离子的链条。然后使用严格控制的激光束调整离子之间的相互作用。这些相互作用使团队能够以一种重现粒子如弦的伸展和最终断裂的方式控制系统的能量。观察量子系统的演化研究人员将系统准备在一个非平衡状态中，然后跟踪其随时间的变化。这使他们能够检测出有效电荷的出现并重建与模拟的弦断裂过程相关的动态。为了验证结果，团队还使用经典计算机模拟了相同的过程。经典计算的结果与量子模拟器产生的实验结果一致。对于这个相对较小规模的模拟，经典计算机仍然能够进行计算。然而，研究人员预计，随着未来实验变得更大更复杂，量子计算机最终将能够解决经典机器无法处理的这些问题的版本。其他研究小组最近也通过使用不同形式的量子硬件达到了类似的里程碑。由谷歌和QuEra Computing领导的团队分别使用超导电路和中性原子重现了相关的弦断裂模型。每种方法都有其自己的优势和局限性。“这些是目前在量子计算领域领先的三种平台，因此对于量子社区来说，这是一个良好的基准和比较。”