|
Квантовая машина имитирует распад Вселенной
|
|
|
|
Физики провели моделирование, которое, по их словам, проливает новый свет на неуловимое явление, которое может определить конечную судьбу Вселенной. Новаторские исследования в области квантовой теории поля около 50 лет назад показали, что Вселенная может быть заключена в ложный вакуум — это означает, что она кажется стабильной, но на самом деле может находиться на грани перехода в еще более стабильное состояние истинного вакуума.
|
|
|
|
Хотя этот процесс может спровоцировать катастрофические изменения в структуре Вселенной, эксперты сходятся во мнении, что предсказать временную шкалу сложно, но, скорее всего, это произойдет в течение астрономически длительного периода, потенциально охватывающего миллионы лет.
|
|
|
|
В рамках международного сотрудничества между тремя исследовательскими институтами команда сообщает, что получила ценную информацию о ложном распаде вакуума — процессе, связанном с происхождением космоса и поведением частиц в мельчайших масштабах. Сотрудничество возглавляли профессор Златко Папич из Лидского университета и доктор Яка Водеб из Исследовательского центра Юлиха, Германия.
|
|
|
|
Ведущий автор статьи, профессор Папич, профессор теоретической физики в Школе физики и астрономии в Лидсе, сказал: "Мы говорим о процессе, в результате которого Вселенная полностью изменила бы свою структуру. Фундаментальные константы могут мгновенно измениться, и мир, каким мы его знаем, рухнет, как карточный домик.
|
|
|
|
|
|
|
"Что нам действительно нужно, так это контролируемые эксперименты для наблюдения за этим процессом и определения его временных масштабов".
|
|
|
|
Исследователи говорят, что эта работа знаменует собой значительный шаг вперед в понимании квантовой динамики, предлагая захватывающие возможности для будущего квантовых вычислений и их потенциал для изучения некоторых из наиболее сложных проблем фундаментальной физики Вселенной.
|
|
Моделирование космической головоломки
|
|
|
|
Исследование, проведенное Университетом Лидса, Исследовательским центром в Юлихе и Институтом науки и технологий Австрии (ISTA), было направлено на то, чтобы понять ключевую загадку ложного распада вакуума — лежащий в его основе механизм.
|
|
|
|
Они использовали 5564-кубитный квантовый отжигатель, тип квантовой машины, разработанной компанией D-Wave Quantum Inc. для решения сложных задач оптимизации, которые включают в себя поиск наилучшего решения из множества возможных, используя уникальные свойства квантово-механических систем.
|
|
|
|
В статье, опубликованной в журнале Nature Physics, команда объясняет, как они использовали машину для имитации поведения пузырьков в ложном вакууме.
|
|
|
|
Эти пузырьки похожи на пузырьки жидкости, образующиеся в водяном паре, охлажденном ниже точки росы. Понятно, что образование, взаимодействие и распространение этих пузырьков может привести к ложному снижению вакуума.
|
|
|
|
Соавтор исследования, доктор Жан-Ив Десоль, научный сотрудник ISTA, защитивший докторскую диссертацию в Университете Лидса, сказал: "Это явление сравнимо с американскими горками, у которых есть несколько долин вдоль траектории, но только одно "истинное" самое низкое состояние - на уровне земли.
|
|
|
|
"Если это действительно так, то квантовая механика позволила бы Вселенной в конечном итоге перейти в состояние с самой низкой энергией или в "истинный" вакуум, и этот процесс привел бы к глобальному катаклизму".
|
|
|
|
Квантовый отжигатель позволил ученым наблюдать за сложным "танцем" пузырьков, который включает в себя то, как они формируются, растут и взаимодействуют в реальном времени. Эти наблюдения показали, что динамика не является изолированными событиями — она включает в себя сложные взаимодействия, в том числе то, как меньшие пузырьки могут влиять на более крупные.
|
|
|
|
Команда говорит, что их результаты дают новое представление о том, как такие переходы могли произойти вскоре после Большого взрыва.
|
|
|
|
Первый автор статьи доктор Водеб, аспирант-исследователь из Юлиха, сказал: "Используя возможности большого квантового отжигателя, наша команда открыла двери для изучения неравновесных квантовых систем и фазовых переходов, которые в противном случае трудно исследовать традиционными вычислительными методами".
|
|
|
|
Новая эра квантового моделирования
|
|
|
|
Физики уже давно задаются вопросом, возможен ли процесс ложного распада в вакууме, и если да, то сколько времени это займет. Однако они мало продвинулись в поиске ответов из-за громоздкой математической природы квантовой теории поля.
|
|
|
|
Вместо того, чтобы пытаться решить эти сложные проблемы, команда решила ответить на более простые, которые можно изучить с помощью новых доступных устройств и аппаратуры. Считается, что это один из первых случаев, когда ученые смогли непосредственно смоделировать и пронаблюдать динамику распада ложного вакуума в таком большом масштабе.
|
|
|
|
Эксперимент включал в себя размещение 5564 кубитов — элементарных строительных блоков квантовых вычислений — в определенных конфигурациях, представляющих ложный вакуум.
|
|
|
|
Тщательно контролируя систему, исследователи смогли вызвать переход от ложного вакуума к истинному, отражая образование пузырьков, как описано в теории распада ложного вакуума. В исследовании использовалась одномерная модель, но предполагается, что на том же отжигателе будут доступны 3D-версии.
|
|
|
|
Компьютер D-Wave интегрирован в JUNIQ, объединенную инфраструктуру квантовых вычислений в суперкомпьютерном центре Юлиха. JUNIQ предоставляет науке и промышленности доступ к самым современным устройствам для квантовых вычислений.
|
|
|
|
Профессор Папич сказал: "Мы пытаемся разработать системы, в которых мы могли бы проводить простые эксперименты для изучения подобных вещей. Временные рамки этих процессов, происходящих во Вселенной, огромны, но использование annealer позволяет нам наблюдать за ними в режиме реального времени, так что мы действительно можем видеть, что происходит.
|
|
|
|
"Эта захватывающая работа, в которой сочетаются передовые методы квантового моделирования с глубокой теоретической физикой, показывает, насколько мы близки к разгадке некоторых из величайших тайн Вселенной".
|
|
|
|
Полученные результаты показывают, что для понимания происхождения и судьбы Вселенной не всегда требуются многомиллионные эксперименты в специальных высокоэнергетических установках, таких как Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе.
|
|
|
|
Профессор Папич добавил: "Очень интересно, что у нас есть эти новые инструменты, которые могут эффективно служить в качестве настольной "лаборатории" для понимания фундаментальных динамических процессов во Вселенной".
|
|
Влияние на реальный мир
|
|
|
|
Исследователи говорят, что их результаты подчеркивают потенциал квантовых отжигателей в решении практических задач, выходящих далеко за рамки теоретической физики.
|
|
|
|
По словам исследователей, помимо важности для космологии, исследование имеет практическое значение для развития квантовых вычислений. Они полагают, что понимание взаимодействия пузырьков в ложном вакууме может привести к улучшению того, как квантовые системы справляются с ошибками и выполняют сложные вычисления, помогая сделать квантовые вычисления более эффективными.
|
|
|
|
Доктор Водеб заключил: "Эти прорывы не только расширяют границы научных знаний, но и прокладывают путь для будущих технологий, которые могут произвести революцию в таких областях, как криптография, материаловедение и энергоэффективные вычисления".
|
|
|
|
Доктор Кедар Пандья, исполнительный директор EPSRC по стратегии, сказал: "Исследования, основанные на любопытстве, являются важной частью работы, которую поддерживает EPSRC. Этот проект - великолепная демонстрация этой работы, в которой идеи фундаментальной квантовой физики объединяются с технологическими достижениями в области квантовых вычислений, чтобы помочь ответить на глубокие вопросы о природе Вселенной".
|
|
|
|
Источник
|
