宇宙的“亚稳态”
大约50年前，量子场论的开创性研究提出，我们的宇宙可能在大爆炸后冷却进入到一个亚稳态，即“伪真空（false vacuum）”状态。这一状态虽然看似稳定，但并非最低能量状态。理论上，宇宙可以通过量子遂穿效应跃迁到最低能量状态，即“真真空”。从亚稳态转变到真真空的过程被称为伪真空衰变。
如果真的发生伪真空衰变，那么宇宙的基本物理常量将瞬间改变，宇宙结构也将彻底重塑，甚至可能引发灾难性事件。一直以来，物理学家都在研究伪真空衰变的可能性，并试图确定它是在短期内就会发生还是需要等待漫长的时间。但由于量子场论涉及高度复杂的数学计算，因此相关研究一直进展缓慢。
近日，在一项新发表于《自然·物理》的研究中，一个研究团队采用了一种创新方法——不直接求解复杂的数学难题，而是借助量子退火装置，对伪真空衰变的动力学特征进行开创性的量子模拟。这一研究为理解宇宙基本结构的演化提供了新的线索。
伪真空衰变的量子模拟
伪真空衰变的核心过程通常被描述为真真空“气泡”在伪真空背景中形成并扩散。这些气泡的形成、相互作用和扩散被认为可能最终触发整个宇宙向真真空的转变。
能量景观V中的亚稳态最小值（左，伪真空）和稳定最小值（右，真真空），随磁化强度M变化的示意图。伪真空的衰变通过形成大小为n的量子化真真空气泡来实现。（图/Vodeb, J. et al.(CC BY 4.0.) via Nature ）
这些气泡的形成机制与水蒸气冷却至露点以下形成液态微滴的过程相似。传统理论认为，这些气泡通常通过孤立的量子隧穿事件形成，一旦形成就会遵循经典物理学的规则扩张，扩张的速度取决于所采用的物理模型。然而，由于该过程的非微扰性，其量子动力学极难直接研究。
在这项新研究中，研究人员利用一种名为量子退火装置的计算设备，观察到了这些气泡的形成、生长及相互作用。量子退火装置是一种能够利用量子叠加和量子隧穿等量子效应，求解复杂优化问题的量子机器，例如在众多可能解中找到最优解。
在实验中，研究人员使用了一台拥有5,564个量子比特的量子退火装置，并将其配置为代表伪真空的特定初始态。通过精确控制量子比特之间的相互作用，他们成功触发了伪真空向真真空的跃迁，并观察到了该过程中的关键动力学特征。
在5564个量子比特的量子退火装置中测得的量子比特配置示意图。内环显示系统初始处于伪真空状态，外环展示了不同磁场条件下的测量结果，其中紫色区域对应形成的真真空气泡。（图/Vodeb, J. et al.(CC BY 4.0.) via Nature ）
实验结果显示，伪真空衰变伴随着真真空气泡的形成和演化。研究团队观察到了不同尺寸的气泡，包括一个由306个量子比特组成的大型气泡。这些气泡的尺寸由体积的能量增益与表面的能量损失之间的竞争决定。
此外，研究人员还观察到，伪真空衰变的动力学不仅仅是孤立的气泡形成过程，而是一个复杂的量子动力学系统。例如，较小的气泡在较大的气泡背景下不断运动，并直接影响彼此的演化。这一现象表明，气泡之间的相互作用在伪真空衰变中起到了重要作用，而这一点在传统的理论模型中往往被忽略。
量子模拟的新时代
这是科学家首次能够在如此大规模的量子计算平台上，直接模拟并观测伪真空衰变的动力学，标志着量子模拟在基础物理研究中的重要突破。
此外，这项研究还展示了量子退火装置在解决复杂物理问题方面的潜力，表明这一技术可以成为研究非平衡量子系统和相变的有力工具，为量子计算在基础物理研究中的应用拓宽了新路径。
研究团队表示，尽管这项研究采用的是一维晶格模型（1D），但未来可以利用相同的量子计算设备，将研究拓展至二维（2D）或三维（3D）模型，进一步探索更复杂的宇宙相变过程。这些高维度模拟不仅可能超越传统计算机的能力，还可能为解决现代物理学中的更多前沿难题提供重要的计算方法。
#参考来源：
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
#图片来源：
封面图：HoAnneLo / Pixabay
首图：D-Wave Quantum Inc.
