宇宙的“亞穩(wěn)態(tài)”

大約50年前，量子場(chǎng)論的開創(chuàng)性研究提出，我們的宇宙可能在大爆炸后冷卻進(jìn)入到一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)，即“偽真空（false vacuum）”狀態(tài)。這一狀態(tài)雖然看似穩(wěn)定，但并非最低能量狀態(tài)。理論上，宇宙可以通過量子遂穿效應(yīng)躍遷到最低能量狀態(tài)，即“真真空”。從亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變到真真空的過程被稱為偽真空衰變。

如果真的發(fā)生偽真空衰變，那么宇宙的基本物理常量將瞬間改變，宇宙結(jié)構(gòu)也將徹底重塑，甚至可能引發(fā)災(zāi)難性事件。一直以來，物理學(xué)家都在研究偽真空衰變的可能性，并試圖確定它是在短期內(nèi)就會(huì)發(fā)生還是需要等待漫長(zhǎng)的時(shí)間。但由于量子場(chǎng)論涉及高度復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，因此相關(guān)研究一直進(jìn)展緩慢。

近日，在一項(xiàng)新發(fā)表于《自然·物理》的研究中，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)采用了一種創(chuàng)新方法——不直接求解復(fù)雜的數(shù)學(xué)難題，而是借助量子退火裝置，對(duì)偽真空衰變的動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行開創(chuàng)性的量子模擬。這一研究為理解宇宙基本結(jié)構(gòu)的演化提供了新的線索。

偽真空衰變的量子模擬

偽真空衰變的核心過程通常被描述為真真空“氣泡”在偽真空背景中形成并擴(kuò)散。這些氣泡的形成、相互作用和擴(kuò)散被認(rèn)為可能最終觸發(fā)整個(gè)宇宙向真真空的轉(zhuǎn)變。

能量景觀V中的亞穩(wěn)態(tài)最小值（左，偽真空）和穩(wěn)定最小值（右，真真空），隨磁化強(qiáng)度M變化的示意圖。偽真空的衰變通過形成大小為n的量子化真真空氣泡來實(shí)現(xiàn)。（圖/Vodeb, J. et al.(CC BY 4.0.) via Nature ）

這些氣泡的形成機(jī)制與水蒸氣冷卻至露點(diǎn)以下形成液態(tài)微滴的過程相似。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，這些氣泡通常通過孤立的量子隧穿事件形成，一旦形成就會(huì)遵循經(jīng)典物理學(xué)的規(guī)則擴(kuò)張，擴(kuò)張的速度取決于所采用的物理模型。然而，由于該過程的非微擾性，其量子動(dòng)力學(xué)極難直接研究。

在這項(xiàng)新研究中，研究人員利用一種名為量子退火裝置的計(jì)算設(shè)備，觀察到了這些氣泡的形成、生長(zhǎng)及相互作用。量子退火裝置是一種能夠利用量子疊加和量子隧穿等量子效應(yīng)，求解復(fù)雜優(yōu)化問題的量子機(jī)器，例如在眾多可能解中找到最優(yōu)解。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用了一臺(tái)擁有5,564個(gè)量子比特的量子退火裝置，并將其配置為代表偽真空的特定初始態(tài)。通過精確控制量子比特之間的相互作用，他們成功觸發(fā)了偽真空向真真空的躍遷，并觀察到了該過程中的關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)特征。

在5564個(gè)量子比特的量子退火裝置中測(cè)得的量子比特配置示意圖。內(nèi)環(huán)顯示系統(tǒng)初始處于偽真空狀態(tài)，外環(huán)展示了不同磁場(chǎng)條件下的測(cè)量結(jié)果，其中紫色區(qū)域?qū)?yīng)形成的真真空氣泡。（圖/Vodeb, J. et al.(CC BY 4.0.) via Nature ）

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，偽真空衰變伴隨著真真空氣泡的形成和演化。研究團(tuán)隊(duì)觀察到了不同尺寸的氣泡，包括一個(gè)由306個(gè)量子比特組成的大型氣泡。這些氣泡的尺寸由體積的能量增益與表面的能量損失之間的競(jìng)爭(zhēng)決定。

此外，研究人員還觀察到，偽真空衰變的動(dòng)力學(xué)不僅僅是孤立的氣泡形成過程，而是一個(gè)復(fù)雜的量子動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。例如，較小的氣泡在較大的氣泡背景下不斷運(yùn)動(dòng)，并直接影響彼此的演化。這一現(xiàn)象表明，氣泡之間的相互作用在偽真空衰變中起到了重要作用，而這一點(diǎn)在傳統(tǒng)的理論模型中往往被忽略。

量子模擬的新時(shí)代

這是科學(xué)家首次能夠在如此大規(guī)模的量子計(jì)算平臺(tái)上，直接模擬并觀測(cè)偽真空衰變的動(dòng)力學(xué)，標(biāo)志著量子模擬在基礎(chǔ)物理研究中的重要突破。

此外，這項(xiàng)研究還展示了量子退火裝置在解決復(fù)雜物理問題方面的潛力，表明這一技術(shù)可以成為研究非平衡量子系統(tǒng)和相變的有力工具，為量子計(jì)算在基礎(chǔ)物理研究中的應(yīng)用拓寬了新路徑。

研究團(tuán)隊(duì)表示，盡管這項(xiàng)研究采用的是一維晶格模型（1D），但未來可以利用相同的量子計(jì)算設(shè)備，將研究拓展至二維（2D）或三維（3D）模型，進(jìn)一步探索更復(fù)雜的宇宙相變過程。這些高維度模擬不僅可能超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的能力，還可能為解決現(xiàn)代物理學(xué)中的更多前沿難題提供重要的計(jì)算方法。

#參考來源：

https://www.leeds.ac.uk/main-index/news/article/5724/quantum-machine-offers-peek-into-dance-of-cosmic-bubbles

https://www.nature.com/articles/s41567-024-02765-w

https://www.nature.com/articles/s41567-024-02767-8

#圖片來源：

封面圖：HoAnneLo / Pixabay

首圖：D-Wave Quantum Inc.