Квантовая нить реальности: учёные увидели, как распадается связь между частицами

Учёным впервые удалось вживую проследить за редким квантовым явлением, лежащим в основе взаимодействий между элементарными частицами. Международная команда физиков под руководством Петера Цоллера из Инсбрукского университета и специалистов компании QuEra Computing смоделировала теоретические законы физики частиц в двухмерном аналоговом квантовом симуляторе. Исследование опубликовано в журнале Nature.

В центре работы — так называемое «разрушение струны». В физике частиц этим термином описывают ситуацию, когда между двумя сильно связанными частицами, например кварком и антикварком, натягивается энергетическая «нить». При определённых условиях она рвётся, и рождаются новые частицы. Это ключевое явление в квантовой хромодинамике — теории, объясняющей, как кварки удерживаются внутри протонов и нейтронов.

До сих пор разрушение струны наблюдалось только в условиях, недостижимых в лаборатории. Однако новая работа учёных из Инсбрука, Гарварда, Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) и компании QuEra доказала, что это можно воспроизвести с помощью квантового симулятора . В нём исследователи разместили десятки атомов рубидия в оптических ловушках, образующих структуру, напоминающую японское плетение кагоме. Такая геометрия позволила смоделировать условия, схожие с теми, что возникают при сильном взаимодействии между частицами.

Ключевую роль сыграли атомы в возбуждённом (ридберговском) состоянии, между которыми возникает эффект «блокировки»: два атома не могут одновременно находиться в возбуждённом состоянии, если они слишком близко. Это ограничение имитирует то, как работают фундаментальные законы взаимодействия в микромире — например, невозможность существования двух глюонов в одном состоянии.

Впервые в истории физики удалось в реальном времени отследить, как в двумерной системе формируется и разрушается квантовая струна. Это событие открывает путь к изучению более сложных и экзотических форм материи, включая неабелевские калибровочные поля и топологические состояния. Как отмечает сам Цоллер, возможность наблюдать калибровочные теории в двух измерениях — важный шаг к пониманию природы фундаментальных взаимодействий.

Одновременно с этим в журнале Nature была опубликована другая работа , посвящённая цифровой квантовой симуляции калибровочной теории — вместе они отмечают важный рубеж в развитии квантовых технологий и моделирования элементарных процессов Вселенной.