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Un computer quantistico è riuscito a simulare la comparsa di particelle che sembrano nascere dal nulla, un fenomeno legato alla fisica estrema dei primi istanti dopo il Big Bang. L’esperimento, guidato dal Duke Quantum Center della Duke University, ha ricostruito questo processo con un simulatore quantistico formato da 13 ioni. I ricercatori lo considerano uno dei primi esempi del genere mai ottenuti in fisica quantistica. Lo studio è uscito il 23 settembre su Nature Physics e suggerisce che queste macchine potrebbero un giorno aiutare a capire come la materia si sia formata ed evoluta nell’universo primordiale.
Al centro del lavoro c’è la cosiddetta rottura della stringa, in inglese string breaking. Il meccanismo riguarda due mattoni fondamentali della materia collegati tra loro, che vengono allontanati finché nel legame si accumula così tanta energia da far spuntare nuove particelle nel momento in cui la connessione cede. “Le simulazioni con computer quantistici offrono la piattaforma migliore per indagare questioni complesse come la formazione della materia, a meno di aver assistito di persona al Big Bang”, ha spiegato Christopher Monroe, docente di ingegneria elettrica e informatica e di fisica alla Duke, che ha diretto la ricerca. Secondo Monroe questi risultati segnano un passo avanti netto per la scienza quantistica e aprono nuove strade per comprendere la dinamica della rottura della stringa.
Perché i quark non si possono semplicemente separare
I quark sono tra i componenti più elementari della materia conosciuti. Si trovano dentro protoni e neutroni e sono circa un miliardo di volte più piccoli di un atomo. Oggi non è possibile osservarli isolati perché restano sempre strettamente legati tra loro. Per farsene un’idea basta pensare a due minuscole particelle cariche unite da un elastico teso: più si allontanano e più energia si concentra nel collegamento.
A un certo punto quell’energia basta a creare nuove particelle cariche, grazie al rapporto tra massa ed energia descritto dalla celebre equazione di Einstein E=mc2. Così, invece di ritrovarsi con una coppia separata, il legame originale si spezza e nascono nuove coppie. Si tratta di processi che richiedono quantità enormi di energia e che avvengono solo in condizioni estreme, come quelle del Large Hadron Collider o quelle che si ritiene esistessero subito dopo il Big Bang.
Tredici ioni e qualche laser per ricreare l’universo primordiale
Il gruppo guidato dalla Duke ha riprodotto un comportamento analogo usando una piattaforma a ioni intrappolati. I simulatori quantistici si prestano bene a questo tipo di studi perché possono essere controllati con grande precisione e programmati per imitare fenomeni che avvengono su scala atomica e subatomica. Il modello è stato codificato in una catena di 13 ioni, mentre fasci laser calibrati con cura regolavano le interazioni tra di loro. In questo modo il team ha potuto gestire l’energia del sistema fino a riprodurre lo stiramento e poi la rottura di una stringa simile a quella che lega le particelle.
“Lavorare all’incrocio tra simulazione quantistica e fisica delle alte energie è davvero entusiasmante”, ha detto Arinjoy De, primo autore dell’articolo ed ex dottorando nel laboratorio di Monroe, oggi in forza a QuEra Computing. I ricercatori hanno preparato il sistema in uno stato fuori equilibrio e ne hanno seguito l’evoluzione nel tempo, individuando la comparsa di cariche effettive e ricostruendo la dinamica del processo. Per verificare i dati hanno ripetuto il calcolo su un computer classico, ottenendo risultati coerenti con quelli dell’esperimento. A questa scala ridotta le macchine tradizionali riescono ancora a fare i conti, ma con esperimenti più grandi e complessi ci si aspetta che solo i computer quantistici possano affrontare certe versioni del problema.
La ricerca è frutto di una collaborazione internazionale con University of Maryland, Oxford University, California Institute of Technology, Cornell University e KU Leuven. In parallelo, gruppi guidati da Google e QuEra Computing hanno ricreato modelli simili rispettivamente con circuiti superconduttori e atomi neutri, ognuno con i propri punti di forza e i propri limiti. “Sono le tre piattaforme che guidano il settore, quindi è un bel termine di paragone per la comunità quantistica”, ha osservato Monroe.
Se questi sistemi continueranno a crescere, potranno affrontare simulazioni fuori dalla portata persino dei supercomputer più potenti al mondo. “Da fisica, è incredibilmente emozionante studiare le condizioni dell’universo primordiale in una macchina di calcolo a livello atomico”, ha commentato Zohreh Davoudi, professoressa associata di fisica alla University of Maryland, secondo cui anche le intuizioni più piccole ricavate da un modello fuori equilibrio serviranno da guida in futuro. Il progetto è stato sostenuto tra gli altri dal Dipartimento dell’Energia, dalla National Science Foundation, dalla DARPA e da Amazon Web Services.
Fonte: TecnoAndroid
