

Quantum Annealer telah mensimulasikan proses mendasar peluruhan vakum palsu, membuka jendela untuk memahami interaksi antara gelembung vakum yang benar. (Kredit: Profesor Zlatko Papic, University of Leeds, (gambar dibuat menggunakan povray))
Model peluruhan kekosongan palsu menunjukkan mengapa alam semesta kita mungkin hidup pada waktu yang dipinjam
Pendeknya
- Para ilmuwan menggunakan komputer kuantum 5.564-qubit untuk mensimulasikan dan mengamati “peluruhan kekosongan palsu”-suatu proses yang dapat menentukan nasib pamungkas alam semesta kita dengan mentransisikannya ke keadaan yang lebih stabil
- Tim peneliti membuat dan melacak gelembung kuantum yang mengandung hingga 306 qubit, mengungkapkan bagaimana gelembung yang lebih kecil memantul di antara yang lebih besar dalam tarian kuantum kompleks yang bertahan selama lebih dari 1.000 unit waktu qubit
- Terobosan ini menunjukkan bagaimana eksperimen kuantum top meja dapat membantu kita memahami proses kosmik mendasar tanpa memerlukan fasilitas besar seperti Hadron Collider yang besar
Leeds, Inggris – Para ilmuwan telah mencapai terobosan dalam fisika kuantum dengan menciptakan dan mengamati “peluruhan kekosongan palsu.” Ini adalah fenomena yang mungkin telah membentuk alam semesta kita beberapa saat setelah Big Bang dan berpotensi menentukan nasib utamanya.
Tim peneliti Eropa menggunakan komputer kuantum besar -besaran dengan lebih dari 5.500 bit kuantum superkonduktor (qubits) untuk mempelajari fenomena yang disebut “peluruhan vakum palsu.” Proses ini menunjukkan bahwa alam semesta kita saat ini ada dalam keadaan stabil sementara yang dapat beralih ke yang lebih permanen.
Para peneliti berhasil mensimulasikan dan mempelajari bagaimana gelembung bentuk “vakum sejati” dan berinteraksi dalam keadaan vakum palsu, menawarkan wawasan baru tentang fisika mendasar dan momen awal kosmos kita.
“Kami berbicara tentang proses di mana alam semesta akan sepenuhnya mengubah strukturnya,” jelas Profesor Zlatko Papić, profesor fisika teoretis di University of Leeds dan penulis utama surat kabar itu. “Konstanta mendasar dapat berubah secara instan dan dunia seperti yang kita tahu akan runtuh seperti rumah kartu. Yang benar -benar kita butuhkan adalah eksperimen terkontrol untuk mengamati proses ini dan menentukan skala waktunya. ”
Hampir 50 tahun yang lalu, fisikawan Sidney Coleman mengusulkan ide yang menarik: alam semesta kita mungkin telah mendingin menjadi keadaan “kekosongan palsu” sementara yang stabil setelah Big Bang, daripada segera menetap dalam keadaan “kekosongan sejati” energi terendah. Vakum palsu metastable ini pada akhirnya akan membusuk ke dalam ruang hampa yang sebenarnya melalui proses yang melibatkan pembentukan gelembung yang meluas – seperti bagaimana uap air mengembun menjadi tetesan cair.


“Fenomena ini sebanding dengan roller coaster yang memiliki beberapa lembah di sepanjang lintasannya tetapi hanya satu negara terendah 'sejati', di permukaan tanah,” jelas Dr. Jean-Yves Desaules, seorang rekan postdoctoral di ISTA. “Jika memang demikian, mekanika kuantum akan memungkinkan alam semesta untuk akhirnya terowongan ke keadaan energi terendah atau kekosongan 'benar' dan proses itu akan menghasilkan peristiwa global yang dahsyat.”
Sementara gagasan transformasi seluruh alam semesta mungkin terdengar mengkhawatirkan, para ilmuwan percaya proses ini akan memakan waktu jutaan tahun untuk dibuka. Signifikansi nyata dari penelitian ini terletak pada kemampuannya untuk mempelajari proses kosmik ini dalam pengaturan laboratorium.
Sampai sekarang, mempelajari proses ini telah terbukti sangat menantang karena sifat mekanik kuantumnya dan kesulitan menciptakan kondisi eksperimental yang sesuai. Tetapi para peneliti dari Jerman, Austria, Inggris, dan Slovenia mengembangkan cara yang cerdik untuk mensimulasikan dan mengamati pembusukan vakum palsu menggunakan perangkat anil kuantum D-Wave yang bertempat di Pusat Superkomputer Jülich di Jerman.
Quantum Annealer bertindak sebagai komputer kuantum khusus, menggunakan 5.564 elemen superkonduktor yang disebut qubit fluks diatur dalam konfigurasi seperti cincin. Dengan mengontrol medan magnet dengan hati -hati yang diterapkan pada qubit ini, mereka menciptakan daerah kecil – mirip dengan gelembung – yang dapat terbentuk, tumbuh, dan berinteraksi satu sama lain. Struktur seperti gelembung ini mencerminkan apa yang menurut para ilmuwan terjadi di alam semesta awal dan apa yang mungkin terjadi selama transisi di masa depan.
“By leveraging the capabilities of a large quantum annealer, our team has opened the door to studying non-equilibrium quantum systems and phase transitions that are otherwise difficult to explore with traditional computing methods,” says Dr. Jaka Vodeb, the paper's first author and Peneliti postdoctoral di Jülich.
Apa yang membuat pekerjaan ini sangat signifikan adalah bahwa para peneliti dapat menonton proses pembentukan gelembung secara real-time dan mempelajari bagaimana gelembung ini berinteraksi satu sama lain-sesuatu yang belum pernah dicapai sebelumnya. Tim menemukan bahwa gelembung yang lebih besar tidak dapat menyebar dalam isolasi tetapi harus berinteraksi dengan gelembung tetangga untuk tumbuh atau menyusut, yang mengarah ke proses gelembung kuantum pertukaran energi.


Para peneliti menyamakan dinamika dengan gas heterogen, di mana gelembung “ringan” kecil memantul di antara gelembung “berat” yang lebih besar yang berinteraksi langsung satu sama lain. Perilaku ini muncul dari aturan mekanik kuantum mendasar yang mengatur sistem dan bertahan selama lebih dari 1.000 unit waktu qubit – periode yang sangat lama untuk koherensi kuantum untuk mempertahankan dalam sistem yang begitu besar.
Mungkin yang paling luar biasa, tim peneliti berhasil membuat dan mengamati gelembung yang mengandung hingga 306 qubit, objek kuantum besar dengan standar teknologi saat ini. Pencapaian ini, dijelaskan dalam Fisika Alammenampilkan kemajuan cepat teknologi komputasi kuantum dan potensinya untuk mensimulasikan fenomena kuantum kompleks yang sebaliknya tidak mungkin untuk dipelajari secara langsung.
“Karya yang menarik ini, yang menggabungkan simulasi kuantum mutakhir dengan fisika teoretis yang mendalam, menunjukkan seberapa dekat kita untuk memecahkan beberapa misteri terbesar alam semesta,” catat Papić. “Sangat menyenangkan memiliki alat-alat baru ini yang dapat secara efektif berfungsi sebagai 'laboratorium' meja untuk memahami proses dinamis mendasar di alam semesta.”
Ringkasan Kertas
Metodologi
Para peneliti menggunakan D-Wave's Advantage_system5.4 Quantum Annealer, mempertahankannya pada suhu 16,4 ± 0,1 millikelvin. Mereka mengatur 5.564 qubit fluks superkonduktor dalam konfigurasi cincin dan mengendalikannya menggunakan pulsa medan magnet yang tepat waktu. Sistem ini diinisialisasi dalam keadaan vakum palsu dengan menerapkan kekuatan medan tertentu, kemudian diizinkan untuk berevolusi sementara para peneliti mengukur pembentukan dan interaksi gelembung vakum.
Hasil
Tim mengamati pembentukan gelembung terkuantisasi pada kondisi resonansi spesifik, dengan ukuran gelembung mulai dari qubit tunggal hingga 306 qubit. Mereka menemukan bahwa gelembung menunjukkan perilaku yang berbeda tergantung pada ukurannya, dengan gelembung yang lebih besar membutuhkan interaksi dengan tetangga untuk mengubah ukuran sementara gelembung yang lebih kecil dapat bergerak bebas melalui sistem. Dinamika tetap koheren untuk lebih dari 1.000 unit waktu qubit.
Aplikasi praktis
Selain memajukan pemahaman kita tentang fisika fundamental, penelitian ini memiliki implikasi praktis untuk teknologi komputasi kuantum. Wawasan yang diperoleh tentang interaksi gelembung dalam kekosongan palsu dapat menyebabkan peningkatan dalam bagaimana sistem kuantum mengelola kesalahan dan melakukan perhitungan yang kompleks, berpotensi merevolusi bidang seperti kriptografi, ilmu material, dan komputasi hemat energi.
Dr. Kedar Pandya, Direktur Eksekutif EPSRC untuk Strategi, menekankan pentingnya penelitian mendasar tersebut: “Penelitian yang digerakkan oleh rasa ingin tahu adalah bagian penting dari dukungan EPSRC kerja. Proyek ini merupakan demonstrasi yang bagus dari pekerjaan itu, dengan ide -ide dari fisika kuantum mendasar yang datang bersama dengan kemajuan teknologi dalam komputasi kuantum untuk membantu menjawab pertanyaan mendalam tentang sifat alam semesta. ”
Batasan
Sistem ini mengalami kebisingan lingkungan dan efek dekoherensi, membatasi durasi koherensi kuantum. Arsitektur Quantum Annealer juga membatasi kemungkinan konfigurasi dan interaksi gelembung. Selain itu, simulasi mewakili model yang disederhanakan dari peluruhan vakum palsu daripada kompleksitas penuh teori bidang kuantum.
Diskusi dan takeaways
Penelitian ini memberikan pengamatan langsung pertama dari pembentukan gelembung terkuantisasi dalam peluruhan vakum palsu, memvalidasi prediksi teoritis dan mengungkapkan fenomena baru dalam fisika banyak tubuh kuantum. Hasilnya menunjukkan bahwa interaksi gelembung memainkan peran penting dalam dinamika peluruhan vakum palsu, dengan implikasi untuk memahami transisi fase kuantum dan proses kosmologis.
Pendanaan dan pengungkapan
Penelitian ini menerima dukungan dari berbagai organisasi termasuk UKRI Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), Leverhulme Trust, dan berbagai organisasi akademik dan penelitian lainnya. Penulis menyatakan tidak ada kepentingan yang bersaing.
Informasi publikasi
Makalah ini berjudul “Mengaduk Vakum Salah dengan Berinteraksi Gelembung Terkuantisasi pada 5.564-Quit Quantum Annealer” diterbitkan di Fisika Alam Pada tanggal 4 Februari 2025. Penelitian ini dilakukan oleh para ilmuwan dari Jülich Supercomputing Center, Institute of Science and Technology Austria, University of Leeds, dan beberapa lembaga Eropa lainnya.