量子模拟器再现高能物理“弦断裂”过程

研究人员在量子模拟器上观察到了弦断裂的弦断裂动力学现象，有助于探索与宇宙大爆炸相关的量模问题。图为弦断裂的拟器艺术化表现形式。图片来源：美国杜克大学

科技日报北京9月23日电 （记者张佳欣）美国杜克大学研究团队利用13个囚禁离子组成的再现量子模拟器，再现了高能物理中的高能过程“弦断裂”过程，观测到与粒子-反粒子形成有关的物理动力学。这是弦断裂量子物理领域的一项重要进展，也为理解弦断裂动力学开辟了新途径。量模相关研究23日发表于《自然·物理学》杂志。拟器

在微观世界里，再现夸克是高能过程构成物质的基本粒子，但它们不会单独存在，物理而是弦断裂被束缚在质子、中子等粒子内部。量模夸克的拟器尺度约为原子的十亿分之一，目前还无法直接观测。可以把两个夸克想象成两个被一根绷紧的“弦”连接起来的微小带电粒子。两个夸克越想被拉开，这根“弦”积累的能量就越多。

如果继续拉开，积累的能量最终可能高到足以产生新的粒子。根据爱因斯坦的质能关系式E=mc2，能量可以转化为物质。于是，原本连接两个夸克的“弦”会“断裂”，并在断裂处产生新的粒子，最终形成两对或更多夸克。这一过程被称为“弦断裂”，需要极高能量，通常只发生在大型强子对撞机等极端环境中，或者宇宙大爆炸后的早期阶段。

此次研究中，团队将描述弦断裂的理论模型转化为量子模拟程序，并将其运行在由13个囚禁离子组成的系统中。他们利用激光束精确控制离子之间的相互作用，让离子系统中的能量变化模拟夸克之间“弦”的拉伸和断裂。

随后，团队让这个系统进入一种非平衡状态，并连续观察它随时间发生的变化。实验中，他们观测到了与新粒子产生相对应的有效电荷，并据此重建出了弦断裂的动力学过程。

团队还利用经典计算机进行了模拟，结果与量子模拟器的实验结果一致。不过，随着未来模拟系统规模不断扩大，这类问题的计算量也会迅速增加，经典计算机将越来越难以处理，而量子计算机有望展现优势。

此前，谷歌和QuEra Computing领衔的研究团队已经分别利用超导电路和中性原子量子平台模拟了类似的弦断裂过程。此次研究进一步表明，囚禁离子量子平台也能够用于模拟这类高能物理现象。团队希望，随着量子模拟器能力不断提升，未来能够借助这类设备研究宇宙早期物质演化等复杂问题。