Kvantemaskine simulerer universet’s potentielle falske vakuumforfald

Fysikere har udført en simulering, som de siger, kaster nyt lys på et undvigende fænomen, der kunne bestemme universets ultimative skæbne.

Banebrydende forskning i kvantefeltteori for omkring 50 år siden foreslog, at universet kan blive fanget i et falskt vakuum – hvilket betyder, at det ser stabilt ud, men faktisk kunne være på randen af ​​at skifte til en endnu mere stabil, ægte vakuumtilstand.

Mens denne proces kunne udløse en katastrofal ændring i universet’S -struktur, eksperter er enige om, at det er udfordrende at forudsige tidslinjen, men det vil sandsynligvis forekomme over en astronomisk lang periode, der potentielt spænder over millioner af år.

I et internationalt samarbejde mellem tre forskningsinstitutioner rapporterer teamet, der får værdifuld indsigt i falskt vakuumfald – en proces, der er knyttet til oprindelsen af ​​kosmos og partiklernes opførsel i de mindste skalaer. Samarbejdet blev ledet af professor Zlatko Papic fra University of Leeds og Dr. Jaka Vodeb fra Forschungszentrum Jülich, Tyskland.

Papiret’S hovedforfatter, professor Papic, professor i teoretisk fysik i skolen for fysik og astronomi ved Leeds, sagde: “Vi’Når vi taler om en proces, hvor universet fuldstændigt ville ændre sin struktur. De grundlæggende konstanter kunne øjeblikkeligt ændre sig, og verden, som vi ved, ville det kollapse som et korthus.

“Det, vi virkelig har brug for, er kontrollerede eksperimenter for at observere denne proces og bestemme dens tidsskalaer.”

Forskerne siger, at dette arbejde markerer et betydeligt skridt fremad med at forstå kvantedynamikken og tilbyder spændende muligheder for fremtiden for kvanteberegning og dets potentiale for at studere nogle af de mest udfordrende problemer omkring den grundlæggende fysik i universet.

Simulering af et kosmisk puslespil

Forskningen af ​​University of Leeds, Forschungszentrum Jülich og Institute of Science and Technology Østrig (ISTA) forsøgte at forstå det vigtigste puslespil i falsk vakuumfald – den underliggende mekanisme bag det.

De brugte en 5.564-qubit Quantum Andealer, en type kvantemaskine designet af D-Wave Quantum Inc. til at løse komplekse optimeringsproblemer-som involverer at finde den bedste løsning fra et sæt mulige løsninger-ved at udnytte de unikke egenskaber ved kvantemekanisk Systemer.

I papiret, der er offentliggjort i Naturfysikforklarer teamet, hvordan de brugte maskinen til at efterligne boblernes opførsel i et falskt vakuum.

Quantum Machine tilbyder kig ind i "dans" af kosmiske bobler

Disse bobler ligner flydende bobler, der dannes i vanddamp, afkølet under dens dugpunkt. Det er underforstået, at dannelse, interaktion og spredning af disse bobler ville være udløseren til falsk vakuumfald.

Medforfatter Dr. Jean-Yves Desaules, en postdoktor ved Ista, der afsluttede sin ph.d. På University of Leeds sagde: “Dette fænomen kan sammenlignes med en rutsjebane, der har flere dale langs dens bane, men kun en ‘ægte’ Laveste tilstand, på jordoverfladen.

“Hvis det virkelig er tilfældet, ville kvantemekanikken give universet mulighed for til sidst at tunnel til den laveste energitilstand eller ‘ægte’ Vakuum og denne proces ville resultere i en kataklysmisk global begivenhed. “

Kvanteanalyeren gjorde det muligt for forskere at observere den komplicerede “dans” af boblerne, som involverer, hvordan de danner, vokser og interagerer i realtid. Disse observationer afslørede, at dynamikken ikke er isolerede begivenheder – de involverer komplekse interaktioner, herunder hvor mindre bobler kan påvirke større.

Holdet siger, at deres fund giver ny indsigt i, hvordan sådanne overgange kunne have fundet sted kort efter Big Bang.

Papiret’S første forfatter Dr. VodeB, postdoktorisk forsker hos Jülich, sagde: “Ved at udnytte kapaciteterne i en stor kvanteknager, har vores team åbnet døren til at studere ikke-ligevægtskvantesystemer og faseovergange, der ellers er vanskelige at udforske med traditionel computing metoder. “

Ny æra med kvantesimulering

Fysikere har længe stillet spørgsmålstegn ved, om den falske vakuumfaldsproces kunne ske, og i bekræftende fald, hvor lang tid det ville tage. De har imidlertid gjort lidt fremskridt med at finde svar på grund af den uhåndterlige matematiske karakter af kvantefeltteorien.

I stedet for at forsøge at knække disse komplekse problemer, forsøgte teamet at svare på flere enkle, der kan studeres ved hjælp af nyligt tilgængelige enheder og hardware. Dette menes at være en af ​​de første gange, som forskere har været i stand til direkte at simulere og observere dynamikken i falskt vakuumfald i så stor skala.

Eksperimentet involverede placering af 5.564 qubits – de elementære byggesten til kvanteberegning – i specifikke konfigurationer, der repræsenterer det falske vakuum.

Ved omhyggeligt at kontrollere systemet kunne forskerne udløse overgangen fra falsk til ægte vakuum og spejle boblerne’ dannelse som beskrevet af falsk vakuumfaldsteori. Undersøgelsen anvendte en en-dimensionel model, men det menes, at 3D-versioner vil være mulig på den samme annealer.

Quantum Machine tilbyder kig ind i "dans" af kosmiske bobler

D-Wave-maskinen er integreret i Juniq, Jülich Unified Infrastructure til Quantum Computing på Jülich Supercomputing Center. JUNIQ leverer videnskab og industriadgang til avancerede kvantecomputerenheder.

Professor Papic sagde, “Vi forsøger at udvikle systemer, hvor vi kan udføre enkle eksperimenter til at studere disse slags ting. Tidsskalaerne for disse processer, der sker i universet , så vi kan faktisk se hvad’s sker.

“Dette spændende arbejde, der fusionerer banebrydende kvantesimulering med dyb teoretisk fysik, viser, hvor tæt vi er at løse noget af universet’S største mysterier. “

Resultaterne viser, at indsigt i universets oprindelse og skæbnen ikke altid behøver at kræve eksperimenter med flere millioner pund i dedikerede højenergifaciliteter, såsom den store Hadron Collider på CERN.

Professor Papic tilføjede, “Det’s spændende at have disse nye værktøjer, der effektivt kunne tjene som en tabel-top ‘laboratorium’ At forstå de grundlæggende dynamiske processer i universet. “

Virkelig indflydelse

Forskere siger, at deres konklusioner fremhæver kvanteanalyalerne’ Potentiale til løsning af praktiske problemer langt ud over teoretisk fysik.

Ud over dens betydning for kosmologi har undersøgelsen praktiske konsekvenser for at fremme kvanteberegning, ifølge forskerne. De mener, at forståelse af bobleinteraktioner i det falske vakuum kan føre til forbedringer i, hvordan kvantesystemer administrerer fejl og udfører komplekse beregninger, hvilket hjælper med at gøre kvanteberegning mere effektiv.

Dr. Vodeb konkluderede, “Disse gennembrud skubber ikke kun grænserne for videnskabelig viden, men byder også for fremtidige teknologier, der kunne revolutionere felter som kryptografi, materialevidenskab og energieffektiv computing.”

Dr. Kedar Pandya, EPSRC’s administrerende direktør for Strategi sagde: “Nysgerrid-drevet forskning er en kritisk del af arbejdet EPSRC støtter. Dette projekt er en stor demonstration af dette arbejde, med ideer fra grundlæggende kvantefysik, der kommer sammen med teknologiske fremskridt i kvantet Beregning for at hjælpe med at besvare dybe spørgsmål om universets natur. “