Квантовая машина предлагает заглянуть в «танец» космических пузырей
Квантовая теория поля предполагает, что сама структура вселенной может случайно измениться, изменив космос, каким мы его знаем. Новая квантовая машина может помочь исследовать это неуловимое явление, а также помочь улучшить квантовые компьютеры.
Почти 50 лет назад исследователи квантовой теории поля предположили, что Вселенная существует в «ложном вакууме». Это означало бы, что стабильный вид космоса и его физические законы могут находиться на грани коллапса. Вселенная, согласно этой теории, может переходить в состояние «истинного вакуума».
Теория основана на предсказаниях поведения поля Хиггса, связанного с бозоном Хиггса. Как и электрическое или магнитное поле, поле Хиггса имеет «потенциал», который определяет его силу. Потенциал можно представить как тележку на американских горках. Чем выше тележка на трассе, тем больше у нее потенциальной энергии.
Потенциал Хиггса определяет, находится ли Вселенная в состоянии истинного вакуума или ложного вакуума. Истинный вакуум — это состояние с наименьшей энергией, а значит, стабильное. Это было бы похоже на тележку, стоящую на низком, плоском участке трассы американских горок.
Ложный вакуум — это как тележка, застрявшая на крутом участке пути. Небольшой толчок может отправить тележку в состояние с более низкой энергией.
Что может случиться?
Измерения массы бозона Хиггса показывают, что Вселенная находится в метастабильном состоянии, ожидая, когда что-то выведет ее из состояния покоя.
Событие с достаточно высокой энергией может привести к тому, что крошечная область Вселенной подвергнется «ложному вакуумному распаду». Этот пузырь будет расширяться во всех направлениях со скоростью света. В качестве альтернативы квантовая механика предполагает, что частица может туннелировать в истинное вакуумное состояние.
В любом случае исход был бы летальным.
«Мы говорим о процессе, в ходе которого Вселенная полностью изменит свою структуру», — говорит Златко Папич, профессор Университета Лидса в Великобритании. «Фундаментальные константы могут мгновенно измениться, и мир, каким мы его знаем, рухнет, как карточный домик».
«Нам нужны контролируемые эксперименты, чтобы наблюдать этот процесс и определять его временные рамки», — говорит Папич.
Все, что нужно, — это большой квантовый компьютер
Златко Папич является ведущим автором статьи, опубликованной в журнале Nature Physics, в которой рассматривается этот вопрос. Команда Ученых использовала машину для имитации поведения пузырьков в ложном вакууме. Пузырьки похожи на пузырьки жидкости, образующиеся в водяном паре.
Рассматриваемая машина представляет собой «квантовый отжиг» — тип квантового компьютера, который использует квантовые флуктуации для оптимизации процесса путем нахождения минимума заданной функции или среди набора возможных решений.
«Используя возможности большого квантового отжига, наша команда открыла дверь к изучению неравновесных квантовых систем и фазовых переходов, которые трудно исследовать с помощью традиционных вычислительных методов», — говорит первый автор статьи Яка Фодеб из исследовательского института Forschungszentrum Jülich в Германии.
Ученые поместили 5564 кубита в определенные конфигурации, которые представляют ложный вакуум, и «запустили» распад в истинный вакуум. Симуляция представляет собой одномерную модель, но исследователи думают, что смогут выполнить трехмерные версии на том же отжиге.
«Замечательно иметь эти новые инструменты, которые могут эффективно служить настольной «лабораторией» для изучения фундаментальных динамических процессов во Вселенной», — добавляет Златко Папич.
Помимо возможности ответить на некоторые из самых фундаментальных вопросов Вселенной, исследователи говорят, что результат поможет продвинуть квантовые вычисления. Понимание взаимодействия пузырьков в ложном вакууме может привести к улучшению управления ошибками в квантовых системах и того, как они решают сложные вычисления.
«Это не только раздвигают границы научных знаний, но и прокладывают путь будущим технологиям, которые могут произвести революцию в таких областях, как криптография, материаловедение и энергоэффективные вычисления».