В течение многих лет физики обсуждали тревожную перспективу будущего Вселенной – возможность того, что все, что нам известно, может быть стремительно уничтожено в одно мгновение. Этот разрушительный сценарий, называемый распадом ложного вакуума, перестал быть лишь гипотетическими размышлениями. Благодаря недавнему инновационному эксперименту, ученые впервые применили передовой квантовый компьютер для моделирования этого пугающего процесса.
Исследователи из Техасского университета в Остине, возглавляемые командой ученых, применили квантовый отжиг с 5,564 кубитами для моделирования распада ложного вакуума — теоретического процесса, способного в будущем привести к гибели Вселенной в ее нынешнем виде. Результаты исследования, в журнале Nature Physics, позволяют по-новому взглянуть на фундаментальную природу нашей реальности и демонстрируют растущую мощь квантовых компьютеров в решении самых сложных проблем в физике.
Вселенная на грани стабильности
Данное исследование базируется на нестандартной и вызывающей беспокойство гипотезе: вакуум космоса может оказаться не столь же устойчивым, как считалось ранее. Квантовая теория поля предполагает, что пространство пронизано разнообразными энергетическими полями, среди которых поле Хиггса играет ключевую роль, определяя массу частиц. Если поле Хиггса не находится в состоянии минимальной энергии (в истинном вакууме), а удерживается в ложном вакууме, то существует теоретическая возможность его внезапного распада.
Этот процесс разрушения начнется с внезапного формирования области, обладающей свойствами истинного вакуума, в какой-то точке Вселенной. После этого область начнет расширяться почти со скоростью света, радикально меняя физические законы внутри себя и уничтожая все, что находится на ее пути, включая целые галактики. Самое тревожное в этой ситуации заключается в том, что, если бы этот процесс уже начался, мы бы не обнаружили его.
Хотя это и кажется фантастикой, физики рассматривают такую возможность весьма серьезно. Тем не менее, моделирование распада вакуума, являющегося глубоко квантовомеханическим процессом, долгое время представляло собой сложную задачу.
Как ученые смоделировали гибель Вселенной
Квантовые компьютеры уже продолжительное время рассматриваются как перспективное направление в вычислительной технике, потенциально способное решать задачи, которые не под силу даже самым мощным классическим суперкомпьютерам. Квантовый отжиг D-Wave, являющийся одним из таких квантовых устройств, был применен для моделирования физики распада вакуума в одном измерении.
Кубиты, в отличие от привычных битов, способные принимать лишь два значения (0 или 1), используют уникальные характеристики квантовой механики, позволяющие им одновременно находиться в комбинации обоих состояний. Благодаря этому квантовые компьютеры способны обрабатывать значительные объемы данных параллельно, что делает их незаменимым инструментом для исследования сложных квантовых процессов, например, ложного распада вакуума.
Ученые разработали квантовый отжиг для имитации упрощенной вселенной, где метастабильный ложный вакуум способен переходить в более устойчивое состояние. Используя кубиты, они воспроизвели процесс спонтанного формирования пузырьков истинного вакуума и проанализировали их взаимодействие и рост.
Что они обнаружили
Исследование показало сложное взаимодействие пузырьков в смоделированной квантовой системе. При формировании пузырьков истинного вакуума они демонстрировали нетипичное поведение, включая слияние, рост и взаимное влияние, формируя сложные структуры. Данные результаты соответствуют теоретическим прогнозам о том, как может происходить распад вакуума в нашей Вселенной.
Что это означает для будущего
Хотя поводов для беспокойства нет – по предварительным расчетам, поле Хиггса, скорее всего, останется стабильным на протяжении триллионов лет, – это исследование имеет большое значение как для космологии, так и для разработки квантовых компьютеров.
Для специалистов в области космологии это дает возможность практически оценить теории, касающиеся устойчивости вакуума, фазовых переходов в ранней Вселенной, и даже о самой сути пространства. При увеличении масштаба этих симуляций до более высоких измерений, появится уникальная возможность понять, как происходят космические процессы.
Успех этого эксперимента демонстрирует значительный прогресс в развитии квантовых компьютеров. Несмотря на то, что квантовые устройства пока не способны полностью заменить классические компьютеры, они подтверждают свою важность в решении задач, которые недоступны для традиционных вычислительных систем.
В дальнейшем исследователи намереваются смоделировать ложный распад вакуума в двух измерениях, что представляет собой значительно более трудную задачу. Достижение успеха позволит приблизиться к полному моделированию одного из самых удивительных процессов, происходящих во Вселенной.
Несмотря на это, вероятность того, что наша Вселенная находится на грани уничтожения, отделенная от него лишь тонкой границей, остается одной из самых необычных и тревожных концепций в современной физике.