Duke-forskare simulerar Big Bang-materie på kvantdator

Forskare vid Duke Quantum Center har använt en kvantsimulator med fångade joner för att observera dynamiken vid strängbrott, en process kopplad till skapandet av materia under de första ögonblicken efter Big Bang, i en studie som publicerades på onsdagen i Nature Physics.eurekalert+1

Experimentet emulerar ett fenomen från kvantfältteorin där två inneslutna fundamentala partiklar, sammanlänkade som en spänd sträng, dras isär tills den lagrade energin räcker för att spontant producera nya partikel-antipartikel-par. I naturen kräver denna process extrema förhållanden som endast återfinns vid anläggningar som Large Hadron Collider eller i den omedelbara efterdyningen av Big Bang.eurekalert

Hur det fungerar

För att återskapa effekten kodade teamet in en modell för strängbrott i en kedja av 13 fångade joner och använde precisionsstyrda laserstrålar för att justera interaktionerna mellan dem, vilket efterliknade sträckningen och brottet i kopplingen mellan inneslutna laddningar. Genom att förbereda systemet i ett tillstånd utanför jämvikt och följa dess utveckling observerade forskarna uppkomsten av effektiva laddningar och rekonstruerade den resulterande dynamiken.phys+1

"Kvantdatorsimuleringar utgör den bästa plattformen för att undersöka komplexa frågor som materiebildning, utan att ha bevittnat själva Big Bang," säger Christopher Monroe, professor i elektroteknik, datateknik och fysik vid Duke ↘ 1.84%, som ledde forskningen.eurekalert

Ett riktmärke för tre plattformar

Resultaten från Duke ansluter sig till liknande fynd från team ledda av Google Alphabet Inc. ↘ 3.58% och QuEra Computing, som simulerade strängbrott på plattformar med supraledande kretsar respektive neutrala atomer. QuEras team, som arbetade med University of Innsbruck och Harvard, rapporterade den första observationen av strängbrott i en tvådimensionell kvantsimulator i en separat Nature-artikel förra året. Ett ytterligare experiment av en grupp vid University of Science and Technology of China demonstrerade den underliggande mekanismen med hjälp av ett optiskt gitter.pratt.duke+3

"Detta är de tre plattformar som leder utvecklingen inom kvantdatorer, så det är ett bra riktmärke och en jämförelse för kvantforskarsamhället," säger Monroe.eurekalert

Framåtblickande

De klassiska datorsimuleringar som teamet körde parallellt med kvantexperimentet bekräftade dess noggrannhet, men i takt med att problemens omfattning växer kommer endast kvantdatorer att kunna hantera beräkningarna. "Som fysiker är det otroligt spännande att undersöka förhållandena i det tidiga universumet i en dator på atomnivå," säger Zohreh Davoudi, docent i fysik vid University of Maryland och medlem i forskarteamet. "Även de minsta insikterna från en fysikmodell utanför jämvikt kommer att vägleda oss i framtiden".phys+1