Přetržení struny. Kredit: Emily Edwards, Duke University.

Kvarky, základní stavební kameny hmoty, existují, pokud víme, pouze vázané uvnitř částic, jako jsou protony a neutrony. Jsou přibližně miliardkrát menší než atom a v současnosti je nelze přímo pozorovat. Dvojici kvarků si přitom lze představit jako dvě nesmírně nepatrné elektricky nabité částice spojené velmi silnou vazbou, třeba jako napnutou strunou. Pomyslná struna je drží pohromadě, takže jejich oddělení vyžaduje značné množství energie.

Christopher Monroe. Kredit: Duke University.

Pokud ale takové kvarky od sebe začneme oddalovat násilím, ohromná energie nahromaděná v jejich vazbě může být dostatečná pro vznik dalších nabitých částic. Hmotnost a energie jsou totiž přímo propojené prostřednictvím vykřičené Einsteinovy rovnice E = mc². Když k tomu dojde, pomyslná struna se přetrhne (string-breaking) a místo jediné dvojice vzniknou dvě nebo více dvojic částic s antičásticemi. Prostě vyskočí z nicoty do existence (anglicky krásně pop into existence).

Tenhle fascinující proces ale vyžaduje tak obrovské množství energie, že k němu dochází jenom v extrémních podmínkách, například ve Velkém hadronovém urychlovači nebo v prostředí, které panovalo ve vesmíru krátce po Velkém třesku. Christopher Monroe z Duke University a jeho kolegové pozorovali obdobnou dynamiku jako je „přetržení struny“ na kvantové platformě s uvězněnými ionty. Jde o jedno z prvních pozorování tohoto typu jevu ve kvantové fyzice. Takové kvantové simulátory umožňují kontrolovaně napodobovat reálné kvantové procesy, které probíhají na atomární, nebo dokonce subatomární úrovni.

Logo. Kredit: Duke University.

Jak říká Monroe, simulace na kvantových počítačích představují nejlepší možnost pro zkoumání podobných kvantových problémů, jako je vznik hmoty, pokud tedy pomineme možnost být přímo svědkem samotného Velkého třesku. Jejich výsledky představují významný posun v oblasti kvantových věd nabízejí nový pohled na dynamiku přetržení struny.

Tým vložil model přetržení struny do řetězce 13 uvězněných iontů. Pomocí přesně řízených laserových paprsků vědci nastavovali vzájemné interakce mezi ionty. Tyto interakce umožňují řídit energii systému způsobem, který napodobuje natahování a následné přetržení struny.

Vědci systém nejprve připravili do stavu mimo termodynamickou rovnováhu a poté sledovali jeho vývoj v čase. Pozorovali vznik efektivních nábojů a na jejich základě rekonstruovali výslednou dynamiku struny. Vědci rovněž celý proces simulovali na klasickém počítači a potvrdili, že výsledky získané kvantovým počítačem jsou přesné. S rostoucí velikostí problému v budoucích experimentech ale tyto úlohy nejspíš zvládnou jen kvantové počítače.

Video: Quantum Computers for the Future (and for Cocktail Parties) | Christopher Monroe (Duke University)

Literatura

Physorg 23. 9. 2026.

Nature Physics online 23. 9. 2026.