מחשב קוונטי של 13 יונים מדמה חלקיקים ש"צצים יש מאין"
צוות בינלאומי בהובלת מרכז הקוונטים של אוניברסיטת Duke השתמש בסימולטור קוונטי של 13 יונים לכודים כדי לשחזר את תופעת "קריעת המיתר": תהליך שבו נוצרים חלקיקים חדשים מאנרגיה. המחקר פורסם ב-Nature Physics, והוא מרמז שמחשבים קוונטיים עשויים לשמש בעתיד כלי לחקר היווצרות החומר אחרי המפץ הגדול.
חוקרים בהובלת מרכז הקוונטים של אוניברסיטת Duke (Duke Quantum Center) הצליחו לדמות במחשב קוונטי תהליך שבו חלקיקים חדשים "צצים יש מאין". לפי הודעת האוניברסיטה, הצוות השתמש בשרשרת של 13 יונים לכודים (trapped ions) כדי לשחזר תופעה שנקראת "קריעת מיתר" (string breaking). התופעה קשורה להיווצרות זוגות של חלקיק ואנטי-חלקיק. המחקר פורסם ב-23 בספטמבר בכתב העת Nature Physics, והחוקרים מתארים אותו כאחת ההדגמות המוקדמות מסוגה.
למה אי אפשר פשוט להפריד קווארקים
קווארקים הם מאבני הבניין הבסיסיות ביותר של החומר. הם נמצאים בתוך פרוטונים ונויטרונים, ולפי ההודעה הם קטנים מאטום בערך פי מיליארד. המדענים לא יכולים כיום לצפות בקווארק בודד, כי קווארקים נשארים תמיד קשורים זה לזה.
ההודעה מציעה לדמיין שני חלקיקים טעונים זעירים שמחוברים במיתר מתוח. ככל שמרחיקים אותם זה מזה, כך נאגרת יותר אנרגיה בחיבור ביניהם. בשלב מסוים יש מספיק אנרגיה ליצירת חלקיקים חדשים, בזכות הקשר בין מסה לאנרגיה שמתארת המשוואה של איינשטיין, E=mc². במקום שהזוג המקורי ייפרד, המיתר נקרע ונוצרים זוגות חלקיקים חדשים. תהליכים כאלה דורשים כמויות אנרגיה עצומות. הם מתרחשים בתנאים קיצוניים, כמו אלה שב-Large Hadron Collider (מאיץ החלקיקים הגדול ב-CERN), או כמו אלה שלפי ההערכות שררו זמן קצר אחרי המפץ הגדול.
איך משחזרים את זה במעבדה
החוקרים קודדו מודל של קריעת מיתר לתוך שרשרת של 13 יונים, והשתמשו בקרני לייזר מבוקרות כדי לכוונן את האינטראקציות בין היונים. כך הם שלטו באנרגיה של המערכת ושחזרו את המתיחה של "מיתר" בין חלקיקים ואת קריעתו. הם הכניסו את המערכת למצב שאינו בשיווי משקל ועקבו אחרי השינויים בה לאורך זמן. בדרך זו זיהו הופעה של מטענים אפקטיביים, ושחזרו את הדינמיקה של התהליך. כדי לבדוק את התוצאות, הצוות דימה את אותו תהליך גם במחשב קלאסי.
"סימולציות במחשב קוונטי הן הפלטפורמה הטובה ביותר לחקור שאלות מורכבות כמו היווצרות החומר, חוץ מלהיות עדים למפץ הגדול עצמו", אמר פרופ' כריסטופר מונרו (Christopher Monroe) מ-Duke, שהוביל את המחקר. הכותב הראשון של המאמר הוא ארינג'וי דה (Arinjoy De), לשעבר דוקטורנט במעבדה של מונרו וכיום מוביל מכונות ייצור בחברת QuEra Computing. לדבריו, סימולציה של כליאת קווארקים וקריעת מיתרים בסביבת מעבדה מבוקרת פותחת "דרכים חדשות לחקירה ניסויית של התנהגות החומר ברמה הבסיסית ביותר".
במחקר השתתפו גם חוקרים מאוניברסיטת מרילנד, מאוקספורד, מ-Caltech, מקורנל ומ-KU Leuven שבבלגיה. לפי ההודעה, המאמר ראה אור לצד שני מחקרים נוספים של צוותים נפרדים, ששחזרו פיזיקה דומה בסוגים אחרים של חומרת מחשוב קוונטי.
למה זה חשוב
שיחות על מחשוב קוונטי נסובות בדרך כלל סביב שבירת הצפנה או אופטימיזציה. המחקר הזה מדגים שימוש אחר, שעשוי להבשיל מוקדם יותר: הדמיה של מערכות פיזיקליות שקשה מאוד לחשב במחשבים רגילים. 13 יונים הם עדיין מערכת קטנה, ומדובר בסימולציה של מודל מפושט ולא של הפיזיקה המלאה של קווארקים. עם זאת, העובדה ששלושה צוותים עצמאיים הגיעו לתוצאות דומות בחומרה שונה מעידה ככל הנראה שהתחום מתבגר. המשמעות האפשרית: בעתיד, חלק מהשאלות שנחקרות היום במאיצי חלקיקים ענקיים יוכלו להיבדק גם בניסויים שולחניים ומבוקרים. מדובר בכלי משלים, לא בתחליף למאיצים.