Квантовый симулятор показал рождение материи из поля: расчеты 70-летней давности не сошлись
Физики из Университета Дьюка и Мэрилендского центра фундаментальной физики под руководством Кристофера Монро впервые в реальном времени пронаблюдали, как из сгустка поля рождается материя. Результаты, опубликованные в Nature Physics, не просто подтвердили давнюю теорию — они показали, что реальность устроена сложнее, чем считалось почти семьдесят лет.
Речь идет о процессе адронизации — превращении глюонного поля в поток новых частиц. В квантовой хромодинамике взаимодействие между кварками устроено парадоксально: сила притяжения между ними не слабеет с расстоянием, а остается постоянной — около шестнадцати килоньютонов. Энергия при этом растет линейно, и глюонное поле между разлетающимися кварками не рассеивается, а сжимается в одномерную силовую трубку — квантовую струну. Разорвать ее нельзя: попытка развести кварки дальше приводит к тому, что система создает новую пару «кварк — антикварк» из вакуума. Поле распадается на независимые фрагменты с новыми частицами на концах.
Именно этот момент распада до сих пор никто не мог зафиксировать напрямую. Уравнения квантовой теории поля в нестационарных условиях не решаются аналитически, а классические суперкомпьютеры упираются в экспоненциально растущий объем запутанности между узлами системы. Чем сильнее дробится квантовое состояние, тем больше памяти требуется для его описания.
Группа Монро обошла барьер экспериментально. Они построили аналоговый квантовый симулятор на цепочке из пятнадцати ионов иттербия-171, удерживаемых в вакуумной ловушке. Тринадцать центральных ионов стали рабочими узлами, два крайних — вспомогательными, формирующими однородное поле, чтобы расстояние между рабочими ионами оставалось строго постоянным — 3,75 микрометра. Роль спинов выполняли сверхтонкие подуровни основного состояния иона с частотой перехода 12,6 гигагерца. Лазерные пучки ультрафиолетового диапазона возбуждали коллективные колебания цепочки, передавая квантовую информацию вдоль кристалла. Индивидуально сфокусированные лучи через акустооптический модулятор управляли каждым ионом отдельно, а смещение частоты лазеров создавало искусственные локальные магнитные поля.
Ключевая математическая уловка: в одномерной калибровочной теории закон Гаусса позволяет исключить частицы материи из уравнений, превратив теорию в эквивалентную цепочку квантовых спинов. Вакуум — все спины вверх. Квантовая струна — участок, где спины направлены вниз. Заряды материи — границы между противоположно ориентированными спинами. Натяжение струны задается продольным магнитным полем, а квантовые флуктуации — поперечным.
Чтобы тринадцать ионов вели себя как бесконечная система, физики рассчитали и приложили к крайним рабочим ионам локальные магнитные поля, имитирующие воздействие виртуальных спинов за пределами ловушки. Краевой дефект был устранен.
Сначала исследователи изучили движение одиночного заряда на границе вакуума и струны. При нулевом натяжении волновая функция заряда свободно растекалась по цепочке. При включенном натяжении произошло неожиданное: вместо непрерывного разгона заряд перешел в режим регулярных периодических колебаний около начальной точки. Это точный аналог осцилляций Блоха и штарк-ваннеровской локализации электронов в кристаллах. Постоянное натяжение поля полностью блокирует перемещение одиночного заряда, запирая его в локальной области.
Главный эксперимент касался распада струны конечной длины. Систему подготовили с непрерывной областью поля длиной в тринадцать узлов между двумя неподвижными зарядами на границах. Затем произвели квантовый квенч — мгновенно увеличили натяжение и амплитуду флуктуаций. Классическая модель Швингера 1951 года предсказывала объемное туннелирование: пары частиц рождаются равновероятно в любой точке вдоль струны, а скорость процесса экспоненциально подавлена при малых полях.
Симулятор показал принципиально иную картину. Новые пары зарядов рождались не по всему объему, а строго на границах струны — в узлах, примыкающих к неподвижным краевым зарядам. Сформировавшись на периферии, они двигались навстречу друг другу к центру, замещая исходное поле расширяющимися участками вакуума. Разрушение шло упорядоченным движением извне внутрь. Время начала процесса и период образования пар практически не зависели от вариаций натяжения и силы флуктуаций — никакой экспоненциальной задержки, обязательной для швингеровского туннелирования, не наблюдалось.
Теоретический расчет эффективного двухчастичного потенциала объяснил результат. Рождение пары в центре струны требует одновременной перестройки множества соседних спинов — энергетически затратно. На краю, где струна граничит с внешним вакуумом, барьер минимален. При быстром повышении натяжения на картине потенциальной энергии формируются непрерывные траектории равного потенциала, берущие начало именно в краевых точках. Волновая функция рожденной пары беспрепятственно распространяется вдоль этих каналов вглубь системы. Прямое измерение вероятности появления областей вакуума различной протяженности подтвердило: сначала возникают минимальные одноузловые области на границах, которые затем непрерывно растут к центру. Численное моделирование исключило влияние статических границ установки — при замене их на динамически флуктуирующий квантовый вакуум рождение пар по-прежнему начиналось на границах неоднородности поля.
Для физики высоких энергий это имеет прямое значение. В столкновениях на Большом адронном коллайдере и Релятивистском коллайдере тяжелых ионов рождающиеся кварки разлетаются с околосветовыми скоростями, а область концентрированного глюонного поля между ними всегда ограничена в пространстве этими движущимися зарядами. Существующие модели фрагментации струн опираются на объемный механизм Швингера в предположении однородности. Но краевой распад качественно меняет динамику: учет этого эффекта позволит точнее рассчитывать количество рождающихся адронов, их угловые траектории и энергетические спектры.
С точки зрения вычислительной физики работа демонстрирует практическую состоятельность программируемых аналоговых квантовых систем. Объединение поштучного оптического управления ионами с подавлением краевых эффектов позволило решить задачу нестационарной многочастичной квантовой динамики, неподдающуюся классическим алгоритмам из-за лавинообразного нарастания запутанности. Масштабирование таких систем открывает возможность исследовать неравновесные фазовые переходы в ядерной материи методами прямого лабораторного эксперимента.
