Поясним, что калибровочные теории описывают взаимодействие между элементарными частицами, такими как кварки и глюоны. Они являются основой для нашего понимания фундаментальных природных процессов.
"Динамические процессы, например, столкновение элементарных частиц или спонтанное формирование пары частица-античастица, очень трудно изучить, — объясняет Кристин Мушик (Christine Muschik), теоретический физик из Института квантовой оптики и квантовой информации. –Учёные быстро достигают предела при численных расчётах на классических компьютерах. По этой причине было предложено моделировать эти процессы с помощью программируемых квантовых систем".
Эксперты отмечают, что в последние годы было предложено много идей, но их до сих пор нельзя было реализовать.
"Теперь же мы разработали новую концепцию, которая позволяет нам симулировать спонтанное формирование пары электрон-позитрон из вакуума с помощью квантового компьютера", — говорит Мушик.
Тут стоит добавить, что вакуум по мнению физиков не является просто пустотой: по законам квантовой физики из него (как из тумана) постоянно появляются и в нём исчезают частицы.
Квантовая система, которую создали австрийцы, состоит из четырёх ионов кальция, пойманных в электро-магнитную ловушку. Ими управляют лазерные импульсы. "Каждая пара ионов моделирует пару частица и античастица", — объясняет экспериментальный физик Эстебан Мартинес (Esteban A. Martinez).
"Мы используем лазерные импульсы для моделирования электромагнитного поля в вакууме. Затем мы можем наблюдать, как пары частиц создаются посредством квантовых колебаний из энергии этого поля. И смотря на флуоресценцию ионов, мы видим, были ли созданы частицы и античастицы. Мы можем изменить параметры квантовой системы, что позволяет нам наблюдать и изучать динамику создания пары", — рассказывает Мартинес.
В ходе эксперимента физики из Университета Инсбрука проложили мост между двумя разными областями в физике. В то время как сотни теоретических физиков работают над сложными теориями стандартной модели и экспериментами, которые требуют затрат довольно больших средств, квантовые моделирования могут осуществляться небольшими группами в штабных экспериментах.
"Эти два подхода дополняют друг друга. Мы не можем заменить эксперименты, которые проводятся с помощью коллайдеров. Однако, разрабатывая квантовые симуляторы, мы, вероятно, сможем понять результаты этих экспериментов лучше", — говорит физик-теоретик Цоллер.
Экспериментальный физик Блатт добавляет: "Кроме того, мы можем изучать новые процессы с помощью квантового моделирования. Например, в нашем эксперименте мы также изучили запутанность частиц, полученную во время создания пар, что просто невозможно сделать в коллайдере".
Физики убеждены, что будущее квантовые симуляторы потенциально смогут решить важные вопросы в физике высоких энергий, которые невозможно изучить традиционными методами.
Впервые идея объединить физику высоких энергий и атомную физику прозвучала несколько лет назад. Благодаря этой новой работе она была впервые реализована экспериментально.
"Этот подход концептуально отличается от предыдущих экспериментов по квантовой симуляции и изучению многочастичной физики или квантовой химии. Моделирование элементарных процессов с участием элементарных частиц является теоретически очень сложным и, следовательно, должно удовлетворять весьма специфичным требованиям. По этой причине трудно разработать соответствующий протокол", — отмечает Цоллер.
Условия для экспериментальных физиков были непростыми: "Это один из самых сложных экспериментов, который когда-либо проводился в квантовом компьютере на основе ионов, захваченных в ловушке, — добавляет Блатт. – Мы всё ещё выясняем, как эти квантовые симуляторы работают, и постепенно приходим к пониманию того, способны ли они к более сложным вычислениям".
Результаты исследования были опубликованы в научном издании Nature.
Добавим, что "Вести.Наука" рассказывали о том, что в квантовой физике в последнее время был совершён и другой важный прорыв: наноспутник стал первым шагом к созданию космического квантового интернета.
