Квантовое устройство успешно смоделировало пугающий сценарий конца Вселенной

Прорыв открывает путь к лучшему пониманию загадочного процесса распада ложного вакуума.

Квантовые компьютеры обещают революционизировать многие области науки. Они способны решать задачи, с которыми не справится даже самый мощный суперкомпьютер. Проблема в том, что эти квантовые устройства все еще находятся в стадии разработки и пока не готовы к такой революции. Но это не значит, что у них нет применений с научным значением – и одно из них связано с концом Вселенной.

“Пока [квантовые устройства] все еще разрабатываются, нетривиальный вопрос заключается в том, чтобы найти подходящую задачу для изучения на них. Что-то, что достаточно сложно для классических компьютеров, но в то же время не слишком сложно, чтобы эти устройства могли дать что-то полезное, знаете ли, до того, как они будут полностью оптимизированы и так далее”, – сказал ведущий автор профессор Златко Папич из Университета Лидса.

Квантовые устройства используют кубиты (квантовые биты), которые позволяют расширить вычисления за пределы классических 0 и 1, используемых в битах. Папич и его группа использовали 5564-кубитный квантовый аннилер (специализированный квантовый компьютер) для моделирования одномерного распада ложного вакуума – возможного сценария конца Вселенной (и моего абсолютного фаворита, если честно).

В квантовой механике по-настоящему стабильны только поля, находящиеся в своем самом низком энергетическом состоянии (основном состоянии или истинном вакууме). Остальные могут быть метастабильными, то есть они выглядят стабильными, но могут распадаться в истинно стабильное состояние. Это и называется распадом ложного вакуума.

Если, например, поле Хиггса нашей Вселенной находится не в своем истинном вакуумном состоянии, оно может спонтанно распасться. Это создаст расширяющийся космический пузырь, который будет изменять Вселенную по мере своего роста, заставляя нашу версию реальности исчезнуть. В конечном итоге исчезнет вся Вселенная.

“Один важный вопрос о распаде вакуума – как именно происходит этот процесс? Если бы вы могли увеличить масштаб и посмотреть на это, как на видео, что на самом деле происходит? Главной целью этой работы было попытаться понять, каков этот базовый механизм”, – сказал профессор Папич.

Папич сравнил этот процесс с интересным эффектом, который происходит в переохлажденной воде (можно поискать в видеороликах в интернете). Вода находится при температуре ниже точки замерзания, но остается жидкой, пока ее не потревожат. Если ее вылить или шлепнуть по ней, она начинает кристаллизоваться, и жидкость превращается в твердое тело. Распад ложного вакуума имеет некоторые сходства в принципе, но моделирование показало, что этот “конец света” намного сложнее.

“Одна вещь, которую мы на самом деле не ожидали, заключалась в том, что весь этот процесс на самом деле намного сложнее, чем можно было бы наивно подумать или чем обсуждалось в литературе”, – сказал Папич. “Получаются пузыри разных размеров, и их размеры на самом деле влияют на то, как они взаимодействуют друг с другом. Это очень сложный процесс того, как эти пузыри на самом деле развиваются, сталкиваются и так далее”.

Команда теперь планирует изучить двумерную версию системы, и они надеются, что по мере развития технологий они создать и трехмерные версии. Причина, по которой они не начали сразу с 2D, заключается в том, что им все еще нужно было проверять результаты с помощью теоретических моделей. В 2D придется доверять квантовому устройству.

“Сейчас все очень взволнованы, потому что у нас есть эти новые технологии, и есть реальный шанс, что мы сможем ответить на некоторые из очень сложных вопросов фундаментальной физики, используя эти технологии”, – объяснил профессор Папич. “Этот вопрос – очень хороший пример. Он существует уже около полувека и известен как очень сложная проблема, которую невозможно решить с помощью ручки и бумаги. Но с новыми технологиями у нас может появиться шанс!”

Статья, посвященная этой работе, опубликована в журнале Nature Physics.