Аннигиляцию частиц впервые наблюдали на квантовом компьютере

Физики из Австрии и Германии впервые использовали квантовый компьютер для симуляции взаимодействий элементарных частиц методами решетчатой калибровочной теории. Работа ученых позволяет в режиме реального времени проследить за рождением и уничтожением (аннигиляцией) пары частица-античастица в физическом вакууме. Исследование опубликовано в журнале Nature, кратко о нем сообщает издание EurekAlert!

Ученые провели демонстрацию реакции рождения и уничтожения пары электрон и его античастицы (позитрона) в модели Швингера. Квантовый симулятор состоит из четырех ионов кальция, находящихся в электромагнитной ловушке и контролируемых лазерными импульсами. Каждая пара ионов представляет собой пару частица-античастица.

«Мы используем лазерные импульсы для имитации электромагнитного поля в вакууме. Тогда мы можем наблюдать, как пары частиц создаются квантовыми флуктуациями от энергии поля. Глядя на флуоресценции иона, мы видим, были ли созданы частицы и античастицы. Мы можем изменить параметры квантовой системы, что позволяет наблюдать и изучать динамику создания пары», — отмечает соавтор исследования Эстебан Мартинес.

Основная трудность в проведении исследования заключалась в выборе подходящего квантового протокола. Ученые надеются, что их симуляции окажутся хорошим дополнением к дорогостоящим экспериментам в физике элементарных частиц, в частности, опытам в ЦЕРНе. В дальнейшем физики планируют имитировать квантовую запутанность пары частиц. Впервые идею создания квантового симулятора выдвинул американский физик-теоретик Ричард Фейнман.

Модель Швингера является двумерной. В ней одна координата является пространственной, а вторая — евклидовым временем (обычной временной координатой, над которой совершен виковский сдвиг — умножение ее на мнимую единицу). Продуктом аннигиляции частиц является массивный фотон (который в четырехмерном пространстве-времени должен быть безмассовым). Модель Швингера используется в квантовой теории поля как простой пример, при помощи которого возможно понимание предельных случаев более сложных теорий. Компьютерное моделирование в теории Швингера удобно проводить в рамках решетчатого подхода, в котором пространство-время разбивается на дискретные клетки.