23 сентября 2026 года в журнале Nature Physics вышла статья физиков из Университета Дьюка (США) и их коллег из Мэрилендского, Оксфордского и Корнеллского университетов, Калтеха и Лёвенского католического университета. На квантовом симуляторе из цепочки ионов они воспроизвели «разрыв струны». Это процесс, при котором из энергии растянутой связи рождаются новые пары частиц и античастиц.
Загадка одиночного кварка
Протоны и нейтроны состоят из кварков. Но поймать отдельный кварк ещё никому не удавалось. Кварки удерживает сильное взаимодействие, и устроено оно необычно. Если пытаться растащить два кварка, сила между ними не ослабевает, как у магнитов, а остаётся большой. Между ними словно натягивается струна или резинка, и чем дальше их разводят, тем больше энергии в ней запасается.
В какой-то момент энергии становится так много, что выгоднее создать из неё новую пару частиц. Струна рвётся, а на её концах появляются новые кварк и антикварк. В итоге вместо одного свободного кварка получаются две связанные пары. Физики называют это конфайнментом, или удержанием, а сам процесс — разрывом струны. Он происходит, например, в столкновениях частиц на ускорителях. Обычный компьютер с трудом моделирует, как именно этот процесс развивается во времени, потому что здесь работают законы квантовой механики.
Компьютер, который сам квантовый
Квантовый симулятор — это управляемая квантовая система, которую настраивают так, чтобы она подчинялась тем же уравнениям, что и изучаемое явление. По сути, вместо расчёта физики строят маленькую «модель природы» и просто смотрят, что с ней происходит.
Команда под руководством Кристофера Монро использовала цепочку ионов, которые удерживаются в ловушке электрическими полями. В цепочке было 15 ионов, а в самой симуляции участвовали 13 центральных. Лазерные лучи задавали взаимодействие между ионами, а точно сфокусированные лучи играли роль местного магнитного поля.
Каждый ион вёл себя как маленькая стрелка, которая может смотреть «вверх» или «вниз». Заряд в этой модели — место, где стрелки меняют направление. Струна — участок, где стрелки развёрнуты в обратную сторону. Это упрощённая одномерная модель. В ней нет настоящих кварков, но есть главное: заряды, струны и удержание.
Что увидели
Сначала физики проверили одиночный заряд. Когда «натяжение струны» было слабым, он свободно расплывался по цепочке. Когда натяжение увеличивали, заряд оказывался запертым и колебался на одном месте.
Затем натянули струну между двумя неподвижными зарядами и резко увеличили её натяжение. Новые пары зарядов начали появляться. Причём рождались они в основном возле концов струны, а не по всей её длине, как предсказывает классический механизм рождения пар в сильном поле. При слабом натяжении пары держались у краёв, а при сильном уходили к центру цепочки. Авторы предполагают, что резкое изменение создаёт квантовую суперпозицию пар у краёв, которая затем распространяется по системе.
Те же процессы учёные посчитали и на обычном компьютере, и результаты совпали с экспериментом. Это важная проверка: значит, симулятор работает правильно.
Почему это важно и где границы
«Квантовые симуляции — лучшая платформа для изучения таких сложных вопросов, как образование материи», — говорит Кристофер Монро. Соавтор работы Зохре Давуди считает, что такие машины когда-нибудь позволят изучать условия ранней Вселенной прямо в лаборатории.
Пока система небольшая, и классические компьютеры ещё справляются с её расчётом. Настоящее преимущество квантовых симуляторов должно проявиться, когда цепочки станут длиннее, а модели сложнее, ближе к реальному трёхмерному сильному взаимодействию. Следующие шаги авторы видят в том, чтобы заставить заряды двигаться и разлетаться и сделать струны полностью динамическими. Похожие модели сейчас воспроизводят и на других платформах, например на сверхпроводящих кубитах и нейтральных атомах. Так квантовые компьютеры постепенно превращаются из обещания в рабочий инструмент физики.
Источники
Наука ближе, когда обсуждаем вместе.
Новые материалы, вопросы и подборки — в нашем Telegram.
