מחשב קוונטי הראה איך חלקיקים חדשים נוצרים מאנרגיה - כמו רגע אחרי המפץ הגדול
שרשרת של 13 יונים, אטומים טעונים חשמלית שמוחזקים במלכודת, דימתה באוניברסיטת דיוק שבצפון קרוליינה את אחד התהליכים הקיצוניים בטבע: הרגע שבו אנרגיה הופכת לחומר, וזוג חלקיקים חדש צץ כמעט מתוך כלום. המחקר, שפורסם ב-23 בספטמבר בכתב העת Nature Physics, הוא מהראשונים שמראים תהליך כזה על מחשב קוונטי.
הפרוטונים והנייטרונים שבגרעין האטום בנויים מחלקיקים קטנים יותר, קווארקים, שאף פעם לא נצפו לבד. הכוח שמחזיק אותם יחד, הכוח החזק, מתנהג כמו גומייה. ככל שמנסים להרחיק שני קווארקים זה מזה, הוא מתחזק. בשלב מסוים יש ב"מיתר" שביניהם כל כך הרבה אנרגיה, שמשתלם לטבע ליצור ממנה זוג חדש של קווארק ואנטי-קווארק. המיתר נקרע, ובמקום זוג אחד יש שניים. לתופעה הזאת קוראים שבירת מיתר.
זו גרסה מוחשית של הנוסחה של איינשטיין, E=mc², שלפיה אנרגיה וחומר הם שני צדדים של אותו דבר. בטבע זה קורה בתנאים קיצוניים, כמו בהתנגשויות במאיץ החלקיקים הגדול בז'נבה או בשברירי השנייה הראשונים אחרי המפץ הגדול. לחשב את זה במחשב רגיל קשה מאוד, כי מספר המצבים האפשריים גדל בקצב עצום עם כל חלקיק שמוסיפים.
החוקרים, בהובלת כריסטופר מונרו, שעומד בראש המחקר במרכז הקוונטי של דיוק, קודדו מודל פשוט של שבירת מיתר לתוך שרשרת היונים, ושלטו באינטראקציות ביניהם בעזרת קרני לייזר מדויקות. אחר כך שינו בבת אחת את הפרמטרים של המערכת, הכניסו לתוכה אנרגיה והרחיקו אותה משיווי משקל, ועקבו אחרי מה שקרה לאורך זמן. הם ראו זוגות חדשים של מטענים שהופיעו במערכת, הסימן לכך שהמיתר נשבר.
בין החוקרים במאמר נמצא גם אור כץ, פיזיקאי שעשה את הדוקטורט שלו במכון ויצמן, עבד כחוקר בתר-דוקטורט במרכז הקוונטי של דיוק ומכהן היום כפרופסור באוניברסיטת קורנל. המחבר הראשון, ארינג'וי דה, היה דוקטורנט במעבדה של מונרו ועובד היום בחברת המחשוב הקוונטי QuEra.
גם גוגל ו-QuEra הראו בנפרד שבירת מיתר על שתי טכנולוגיות אחרות, מעגלים מוליכי-על ואטומים ניטרליים, כך שהתופעה נבדקה עכשיו על שלוש הגישות המובילות לבניית מחשב קוונטי. לדברי החוקרים, זה מראה שהמכונות האלה מתחילות להגיע לשאלות יסוד בפיזיקה.
הרעיון ותיק כמו התחום עצמו. ב-1981 אמר הפיזיקאי ריצ'רד פיינמן בהרצאה מפורסמת שאם רוצים לדמות את הטבע, צריך לעשות את זה עם מערכת קוונטית, כי הטבע עצמו קוונטי. מחשב רגיל מחשב את ההתנהגות של החלקיקים צעד אחרי צעד. מחשב קוונטי יכול פשוט להתנהג כמוהם.
הניסוי עדיין רחוק מדימוי מלא של הכוח החזק. המודל שהחוקרים השתמשו בו פשוט יותר מהתיאוריה האמיתית של הקווארקים, והמערכת קטנה, כך שמודל בגודל כזה עוד אפשר לחשב גם במחשב רגיל. הערך הוא בהוכחה שהשיטה עובדת, ושככל שהמחשבים הקוונטיים יגדלו, אפשר יהיה לדמות מצבים שמחשב רגיל כבר לא יוכל להתמודד איתם. זוהרה דבודי, פרופסור לפיזיקה מאוניברסיטת מרילנד שהשתתפה במחקר, אמרה שגם תובנות קטנות ממודל של פיזיקה מחוץ לשיווי משקל ינחו את החוקרים בהמשך.
השאלה למה קווארקים לא נראים לבד היא מהבעיות הפתוחות הגדולות בפיזיקה. מכון קליי למתמטיקה הציע פרס של מיליון דולר למי שיוכיח מתמטית תכונה מרכזית של התיאוריה שמתארת את הכוח החזק, ואיש עוד לא זכה בו. המחקר מומן בין היתר על ידי משרד האנרגיה האמריקאי, הקרן הלאומית למדע, DARPA ושירות הענן של אמזון, AWS.
