Kwantumcomputer bootst na hoe deeltjes 'uit het niets' ontstaan

Een internationaal team onder leiding van het Duke Quantum Center heeft voor het eerst met een kwantumcomputer een natuurkundig proces gesimuleerd dat normaal alleen onder extreme omstandigheden voorkomt, zoals vlak na de oerknal of in deeltjesversnellers. Het gaat om zogeheten snaarbreking: als je twee met elkaar verbonden deeltjes te ver uit elkaar trekt, wordt de spanning tussen hen zo groot dat er nieuwe deeltjes ontstaan. Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Physics.

Waarom quarks niet los te trekken zijn

Quarks zijn de kleinste bekende bouwstenen van protonen en neutronen, ruim een miljard keer kleiner dan een atoom. Ze komen nooit alleen voor: probeer je twee quarks uit elkaar te trekken, dan groeit de energie tussen hen alsof er een strak elastiek zit. Op een gegeven moment is er zoveel energie opgeslagen dat er, volgens Einsteins beroemde formule E=mc², vanzelf nieuwe deeltjes ontstaan. In plaats van één losgetrokken paar krijg je dus meerdere paren. Dit proces speelt normaal alleen bij enorme energieën, zoals in de Large Hadron Collider bij CERN of kort na de oerknal.

Dertien atomen als modelheelal

Om dit na te bootsen gebruikten de onderzoekers een kwantumsimulatie op basis van een ionenval: een keten van dertien elektrisch geladen atomen die met lasers nauwkeurig worden bestuurd. Door de onderlinge wisselwerking tussen deze atomen te programmeren, konden ze het uitrekken en uiteindelijk breken van een 'snaar' tussen deeltjes nabootsen. Vervolgens keken ze hoe het systeem zich in de tijd ontwikkelde en of er inderdaad effectieve ladingen ontstonden, het signaal van de gesimuleerde snaarbreking.

Nog klein, maar veelbelovend

Ter controle rekenden de onderzoekers dezelfde simulatie ook uit op een gewone computer. Beide methoden kwamen overeen, wat aantoont dat de kwantumcomputer betrouwbaar werkt. Bij deze kleine schaal kan een klassieke computer de berekening nog aan, maar naarmate de simulaties groter en complexer worden, verwachten de wetenschappers dat alleen kwantumcomputers ze kunnen bijbenen. Opvallend is dat ook onderzoeksteams van Google en QuEra Computing recent vergelijkbare experimenten deden, met andere technologie zoals supergeleidende chips en neutrale atomen. Volgens hoofdonderzoeker Christopher Monroe is dat een mooie graadmeter voor de hele sector. Als kwantumcomputers verder opschalen, hopen natuurkundigen ermee te kunnen onderzoeken hoe materie zich vlak na de oerknal gedroeg, iets wat in een laboratorium op aarde niet direct na te bootsen is.