量子デバイスが「物質の出現」をシミュレーション(Quantum Device Simulates Matter Popping into Existence)

2026-09-23 デューク大学(Duke)

デューク大学量子センター(DQC)を中心とする国際研究チームは、トラップドイオン型量子シミュレータ上で、素粒子物理学における「ストリング破断(string breaking)」のダイナミクスを実験的に観測した。ストリング破断とは、クォーク同士を結び付ける相互作用を引き離す際にエネルギーが蓄積し、一定以上になると新たな粒子・反粒子対が生成される現象で、初期宇宙や高エネルギー衝突環境に関連する。研究チームは13個のイオンを鎖状に配置し、レーザーで相互作用を精密制御して、ストリングの伸長・破断を模擬した。系を非平衡状態から時間発展させ、実効電荷の生成とストリングのダイナミクスを観測した。古典計算機による検証でも実験結果の正確性を確認しており、将来的には古典計算では困難な大規模な量子多体系の研究への発展が期待される。

量子デバイスが「物質の出現」をシミュレーション(Quantum Device Simulates Matter Popping into Existence)

<関連情報>

量子シミュレーターにおける弦切断ダイナミクス String-breaking dynamics in a quantum simulator

Arinjoy De, Alessio Lerose, De Luo, Federica M. Surace, Alexander Schuckert, Elizabeth R. Bennewitz, Brayden Ware, William Morong, Kate S. Collins, Zohreh Davoudi, Alexey V. Gorshkov, Or Katz & Christopher Monroe
Nature Physics  Published:23 September 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41567-026-03422-0

Abstract

In quantum field theory, spontaneous particle formation can occur when the potential energy between two elementary particles increases with their separation, as if they were confined by a string. When the separation exceeds a critical value, new particle pairs can form and the string breaks. Simulating this process ab initio requires solving quantum many-body dynamics of the strong force, a task for which quantum simulators may outperform classical computational methods. Here we probe the spatiotemporally resolved dynamics of string breaking in a (1 + 1)-dimensionalℤ2 lattice gauge theory using a programmable trapped-ion quantum simulator. We emulate the effects of external static charges and strings, using site-dependent control of effective magnetic fields through an array of focused laser beams addressing individual ions. We show that isolated charges spread freely in the absence of string tension but exhibit localized coherent oscillations as the tension increases. We further observe the breaking dynamics of a string initially stretched between two static charges following an abrupt increase of the string tension. We find that charge pairs appear near the string edges and subsequently spread out into the bulk, revealing a mechanism for dynamical string breaking distinct from the conventional Schwinger mechanism.

1701物理及び化学
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