Квантовый симулятор на захваченных ионах позволил в реальном времени проследить процесс, напоминающий рождение новых пар частиц при разрыве связывающей их «струны». Эксперимент показал, как новые пары зарядов возникают возле краёв такой струны, а затем распространяются внутрь неё. Исследователи считают, что подобные системы в будущем помогут изучать процессы, происходящие при столкновениях элементарных частиц и в горячей материи ранней Вселенной.
В основе работы лежит одна из фундаментальных особенностей сильного взаимодействия — конфайнмент кварков. Кварки не наблюдаются поодиночке и входят в состав адронов, включая протоны и нейтроны. Упрощённо связь между кварком и антикварком можно представить в виде своеобразной энергетической струны. Чем дальше частицы удаляются друг от друга, тем больше энергии накапливается в этой связи. В какой-то момент становится энергетически выгоднее образовать новую пару кварк–антикварк. В результате исходная струна разрывается и возникают новые связанные состояния. Такие процессы рассматриваются как важная часть превращения кварков и глюонов в обычные частицы после высокоэнергетических столкновений. Они также могут быть связаны с эволюцией вещества в ранней Вселенной после Большого взрыва. Непосредственно рассчитывать развитие подобных квантовых систем чрезвычайно сложно. При неравновесной динамике быстро растёт квантовая запутанность, из-за чего требования к вычислительным ресурсам классических компьютеров могут резко увеличиваться. Поэтому исследователи рассматривают программируемые квантовые симуляторы как один из возможных способов изучения таких процессов. В новом эксперименте команда использовала программируемый квантовый симулятор на захваченных ионах. Каждый ион играл роль управляемого квантового элемента, а массив сфокусированных лазерных лучей позволял независимо задавать необходимые взаимодействия и локальные поля. На этой платформе исследователи реализовали одномерную Z₂-калибровочную теорию — упрощённую квантовую модель, в которой можно воспроизвести ключевые особенности удержания зарядов и разрыва связывающей их струны. Сначала учёные проследили за поведением отдельного заряда. Когда натяжение струны отсутствовало, он мог свободно распространяться по моделируемой системе. По мере увеличения натяжения движение ограничивалось, и вместо свободного распространения возникали локализованные когерентные колебания. Так квантовый симулятор воспроизводил эффект удержания заряда. Затем исследователи подготовили состояние, соответствующее струне, растянутой между двумя неподвижными внешними зарядами, и резко изменили параметры системы. После этого они наблюдали её дальнейшую эволюцию с пространственным и временным разрешением. Именно здесь обнаружился наиболее интересный результат. Новые пары зарядов возникали преимущественно возле двух краёв струны. При небольшом натяжении они оставались вблизи этих областей и совершали когерентные колебания. Когда натяжение увеличивали, образовавшиеся пары начинали распространяться от краёв к центральной части системы, постепенно разрушая исходную струну.