Duke-Team simuliert Materieentstehung des Urknalls auf Quantencomputer

Forscher am Duke Quantum Center haben einen Quantensimulator mit gefangenen Ionen genutzt, um die Dynamik von String-Brüchen zu beobachten – ein Prozess, der mit der Entstehung von Materie in den ersten Augenblicken nach dem Urknall verbunden ist. Die Studie wurde am Mittwoch in Nature Physics veröffentlicht.eurekalert+1

Das Experiment emuliert ein Phänomen der Quantenfeldtheorie, bei dem zwei eingeschlossene fundamentale Teilchen, die wie eine gespannte Saite verbunden sind, so weit auseinandergezogen werden, dass die gespeicherte Energie ausreicht, um spontan neue Teilchen-Antiteilchen-Paare zu erzeugen. In der Natur erfordert dieser Prozess extreme Bedingungen, wie sie nur in Anlagen wie dem Large Hadron Collider oder unmittelbar nach dem Urknall herrschen.eurekalert

Funktionsweise

Um den Effekt nachzubilden, kodierte das Team ein Modell für String-Brüche in eine Kette aus 13 gefangenen Ionen und nutzte präzise gesteuerte Laserstrahlen, um die Wechselwirkungen zwischen ihnen abzustimmen. Dies imitierte das Dehnen und Reißen der Verbindung zwischen den eingeschlossenen Ladungen. Indem das System in einem Nicht-Gleichgewichtszustand präpariert und seine Entwicklung verfolgt wurde, beobachteten die Forscher das Entstehen effektiver Ladungen und rekonstruierten die resultierende Dynamik.phys+1

"Quantencomputersimulationen bieten die beste Plattform, um komplexe Fragen wie die Materieentstehung zu untersuchen, ohne den Urknall selbst miterlebt zu haben", sagte Christopher Monroe, Professor für Elektro- und Computertechnik sowie Physik an der Duke University ↘ 1.84%, der die Forschung leitete.eurekalert

Ein Benchmark für drei Plattformen

Die Ergebnisse aus Duke ergänzen ähnliche Erkenntnisse von Teams unter der Leitung von Google Alphabet Inc. ↘ 3.58% und QuEra Computing, die String-Brüche auf Plattformen mit supraleitenden Schaltkreisen bzw. neutralen Atomen simulierten. Das Team von QuEra, das mit der Universität Innsbruck und Harvard zusammenarbeitete, berichtete im vergangenen Jahr in einem separaten Nature-Artikel über die erste Beobachtung eines String-Bruchs in einem zweidimensionalen Quantensimulator. Ein weiteres Experiment einer Gruppe der University of Science and Technology of China demonstrierte den zugrunde liegenden Mechanismus mithilfe eines optischen Gitters.pratt.duke+3

"Dies sind die drei Plattformen, die beim Quantencomputing führend sind, daher ist es ein guter Benchmark und Vergleich für die Quanten-Community", sagte Monroe.eurekalert

Ausblick

Die klassischen Computersimulationen, die das Team parallel zum Quantenexperiment durchführte, bestätigten dessen Genauigkeit. Doch mit zunehmender Problemgröße werden nur Quantencomputer in der Lage sein, die Berechnungen zu bewältigen. "Als Physiker ist es unglaublich spannend, die Bedingungen des frühen Universums in einer Rechenmaschine auf atomarer Ebene zu untersuchen", sagte Zohreh Davoudi, außerordentliche Professorin für Physik an der University of Maryland und Mitglied des Forschungsteams. "Selbst die kleinsten Erkenntnisse aus einem Nicht-Gleichgewichts-Physikmodell werden uns in Zukunft weiterhelfen".phys+1