Kvantový simulátor pretrhol „kvantovú strunu“: Podarilo sa mu vytvoriť hmotu z ničoho
Vedci pomocou kvantového simulátora napodobnili strunový rozpad, pri ktorom sa nahromadená energia mení na nové častice. Experiment môže pomôcť lepšie pochopiť fyziku raného vesmíru.
Vedci dokázali pomocou kvantového simulátora napodobniť proces, pri ktorom sa z nahromadenej energie vytvoria nové častice. Experiment súvisí s javom známym ako strunový rozpad a môže pomôcť pri skúmaní fyziky, ktorá zohrala úlohu v ranom vesmíre.
Výskumný tím vedený vedcami z Duke Quantum Center vytvoril simuláciu na zariadení s uväznenými iónmi. Pomocou presne riadených laserov naprogramoval systém tak, aby napodobnil správanie kvarkov a väzby medzi nimi. Výsledky výskumu zverejnil časopis Nature Physics 23. septembra 2026.
Na prvý pohľad môže experiment pôsobiť tak, akoby vedci nechali v laboratóriu „vzniknúť hmotu z ničoho“. V skutočnosti ide o oveľa presnejší a zaujímavejší proces. Nové častice nevznikli z prázdneho priestoru. Energia, ktorá sa nahromadila v systéme, sa za určitých podmienok premenila na častice.
Kvarky drží pokope veľmi zvláštna väzba
Aby experiment dával zmysel, treba najprv pochopiť kvarky. Ide o základné stavebné častice hmoty, z ktorých sa skladajú napríklad protóny a neutróny. Kvarky však za bežných podmienok neuvidíš samostatne. V prírode sa nachádzajú viazané vo väčších časticiach. Medzi nimi pôsobí silná jadrová interakcia, ktorá ich drží pohromade. Vedci si tento vzťah môžu zjednodušene predstaviť ako dve častice spojené veľmi pevnou strunou. Keď ich od seba začneš odťahovať, energia v tejto väzbe narastá. Pri dostatočnom oddialení už systém nedokáže jednoducho pokračovať v rozťahovaní pôvodnej väzby. Nahromadená energia môže viesť k vytvoreniu nových častíc. Pôvodná väzba sa tým rozdelí a namiesto jednej dvojice vznikne viac dvojíc častíc.
Tento jav sa označuje ako strunový rozpad. Nejde teda o to, že by sa hmota objavila z absolútneho ničoho. Energia systému sa za vhodných podmienok premení na novú hmotu. Súvisí to so známym Einsteinovým vzorcom E = mc², ktorý vyjadruje vzťah medzi energiou a hmotnosťou.
Neprehliadni
Podobné podmienky existujú pri extrémnych zrážkach
Strunový rozpad patrí medzi javy, ktoré si bežne v prírode nevšimneš. Na jeho vznik treba mimoriadne energetické podmienky. Vedci preto podobné procesy skúmajú napríklad pomocou urýchľovačov častíc, medzi ktoré patrí aj Veľký hadrónový urýchľovač (LHC). Podobná fyzika však zohrala úlohu aj v extrémne horúcom a hustóm prostredí raného vesmíru. Krátko po Veľkom tresku sa vesmír nachádzal v stave, ktorý sa od dnešných podmienok výrazne líšil.
Vedci z Duke Quantum Center teraz nemuseli vytvoriť skutočné podmienky raného vesmíru. Namiesto toho vytvorili kvantovú simuláciu, ktorá dokáže napodobniť matematické a fyzikálne pravidlá potrebné na sledovanie podobného procesu.
„Kvantové počítačové simulácie poskytujú najlepšiu platformu na skúmanie zložitých otázok, ako je vznik hmoty, ak odhliadneme od toho, že sme samotný Veľký tresk nepozorovali,“ uviedol Christopher Monroe z Duke University, ktorý výskum viedol.
Vedci použili iba 13 iónov
Samotný experiment môže pôsobiť až prekvapivo jednoducho. Výskumníci vytvorili reťazec 13 uväznených iónov. Pomocou laserových lúčov následne veľmi presne nastavovali interakcie medzi jednotlivými iónmi. Tým kontrolovali energiu systému a napodobnili správanie, ktoré by za iných podmienok zodpovedalo rozťahovaniu a následnému rozpadu „struny“.
Vedci systém najprv pripravili do stavu mimo rovnováhy. Potom sledovali, ako sa jeho vlastnosti v priebehu času menili. V simulácii zaznamenali vznik efektívnych nábojov a následne rekonštruovali dynamiku strunového rozpadu. Dôležitú úlohu zohrala aj kontrola výsledkov. Tím rovnaký proces nasimuloval na klasickom počítači a porovnal jeho výsledky s kvantovým experimentom. Obe simulácie sa zhodovali. To je podstatné, pretože vedci potrebovali overiť, že kvantové zariadenie skutočne reprodukovalo očakávané správanie systému.
Kvantové počítače môžu neskôr zvládnuť oveľa väčšie simulácie
Súčasný experiment ešte neznamená, že kvantový počítač nahradil urýchľovač častíc alebo že vedci vytvorili skutočnú hmotu v rovnakom procese, aký prebieha pri zrážkach častíc. Význam experimentu spočíva najmä v tom, že kvantové zariadenie dokázalo vytvoriť kontrolované prostredie pre simuláciu veľmi náročného fyzikálneho problému.
Pri väčších systémoch začne byť simulácia na klasických počítačoch extrémne náročná. Počet možných stavov totiž rastie spolu s veľkosťou systému a výpočty môžu rýchlo prekročiť možnosti aj výkonných superpočítačov. Kvantové počítače by mohli pri určitých typoch problémov ponúknuť inú cestu. Namiesto toho, aby klasický počítač matematicky napodobňoval každý detail kvantového systému, kvantový simulátor môže samotné kvantové správanie využiť priamo.
„Práca na rozhraní kvantovej simulácie a fyziky vysokých energií je neuveriteľne vzrušujúca,“ povedal Arinjoy De, prvý autor štúdie.
Podľa neho simulácia javov spojených s väzbou kvarkov a strunovým rozpadom otvára nové možnosti experimentálneho skúmania správania hmoty na jej najzákladnejšej úrovni.
Rovnaký jav už skúmali aj iné kvantové počítače
Duke Quantum Center pritom nie je jediným tímom, ktorý sa pokúsil strunový rozpad simulovať. Podobné výsledky už dosiahli aj výskumníci využívajúci iné typy kvantových počítačov. Tímy vedené spoločnosťami Google a QuEra Computing použili platformy založené na supravodivých obvodoch a neutrálnych atómoch. Každý z týchto prístupov má vlastné výhody aj technické problémy. Experiment s uväznenými iónmi preto pridáva ďalší spôsob, ako tento typ fyziky skúmať.
„Tieto tri platformy patria medzi tie, ktoré udávajú smer kvantovým počítačom, takže ide o užitočné porovnanie a meradlo pre celú kvantovú komunitu,“ vysvetlil Monroe.
Vedci tak získavajú ďalší nástroj na skúmanie otázok, ktoré sa týkajú samotných základov fungovania vesmíru. Súčasný experiment predstavuje malú simuláciu s 13 iónmi, no ďalšie zväčšovanie podobných systémov môže priniesť oveľa zložitejšie experiment. Jednou z oblastí, ktorú chcú fyzici pomocou takýchto simulácií lepšie pochopiť, je vývoj hmoty v podmienkach, ktoré existovali krátko po vzniku vesmíru.
