宇宙的“亞穩態”

大約50年前，量子場論的開創性研究提出，我們的宇宙可能在大爆炸后冷卻進入到一個亞穩態，即“偽真空（false vacuum）”狀態。這一狀態雖然看似穩定，但并非最低能量狀態。理論上，宇宙可以通過量子遂穿效應躍遷到最低能量狀態，即“真真空”。從亞穩態轉變到真真空的過程被稱為偽真空衰變。

如果真的發生偽真空衰變，那么宇宙的基本物理常量將瞬間改變，宇宙結構也將徹底重塑，甚至可能引發災難性事件。一直以來，物理學家都在研究偽真空衰變的可能性，并試圖確定它是在短期內就會發生還是需要等待漫長的時間。但由于量子場論涉及高度復雜的數學計算，因此相關研究一直進展緩慢。

近日，在一項新發表于《自然·物理》的研究中，一個研究團隊采用了一種創新方法——不直接求解復雜的數學難題，而是借助量子退火裝置，對偽真空衰變的動力學特征進行開創性的量子模擬。這一研究為理解宇宙基本結構的演化提供了新的線索。

偽真空衰變的量子模擬

偽真空衰變的核心過程通常被描述為真真空“氣泡”在偽真空背景中形成并擴散。這些氣泡的形成、相互作用和擴散被認為可能最終觸發整個宇宙向真真空的轉變。

能量景觀V中的亞穩態最小值（左，偽真空）和穩定最小值（右，真真空），隨磁化強度M變化的示意圖。偽真空的衰變通過形成大小為n的量子化真真空氣泡來實現。（圖/Vodeb, J. et al.(CC BY 4.0.) via Nature ）

這些氣泡的形成機制與水蒸氣冷卻至露點以下形成液態微滴的過程相似。傳統理論認為，這些氣泡通常通過孤立的量子隧穿事件形成，一旦形成就會遵循經典物理學的規則擴張，擴張的速度取決于所采用的物理模型。然而，由于該過程的非微擾性，其量子動力學極難直接研究。

在這項新研究中，研究人員利用一種名為量子退火裝置的計算設備，觀察到了這些氣泡的形成、生長及相互作用。量子退火裝置是一種能夠利用量子疊加和量子隧穿等量子效應，求解復雜優化問題的量子機器，例如在眾多可能解中找到最優解。

在實驗中，研究人員使用了一臺擁有5,564個量子比特的量子退火裝置，并將其配置為代表偽真空的特定初始態。通過精確控制量子比特之間的相互作用，他們成功觸發了偽真空向真真空的躍遷，并觀察到了該過程中的關鍵動力學特征。

在5564個量子比特的量子退火裝置中測得的量子比特配置示意圖。內環顯示系統初始處于偽真空狀態，外環展示了不同磁場條件下的測量結果，其中紫色區域對應形成的真真空氣泡。（圖/Vodeb, J. et al.(CC BY 4.0.) via Nature ）

實驗結果顯示，偽真空衰變伴隨著真真空氣泡的形成和演化。研究團隊觀察到了不同尺寸的氣泡，包括一個由306個量子比特組成的大型氣泡。這些氣泡的尺寸由體積的能量增益與表面的能量損失之間的競爭決定。

此外，研究人員還觀察到，偽真空衰變的動力學不僅僅是孤立的氣泡形成過程，而是一個復雜的量子動力學系統。例如，較小的氣泡在較大的氣泡背景下不斷運動，并直接影響彼此的演化。這一現象表明，氣泡之間的相互作用在偽真空衰變中起到了重要作用，而這一點在傳統的理論模型中往往被忽略。

量子模擬的新時代

這是科學家首次能夠在如此大規模的量子計算平臺上，直接模擬并觀測偽真空衰變的動力學，標志著量子模擬在基礎物理研究中的重要突破。

此外，這項研究還展示了量子退火裝置在解決復雜物理問題方面的潛力，表明這一技術可以成為研究非平衡量子系統和相變的有力工具，為量子計算在基礎物理研究中的應用拓寬了新路徑。

研究團隊表示，盡管這項研究采用的是一維晶格模型（1D），但未來可以利用相同的量子計算設備，將研究拓展至二維（2D）或三維（3D）模型，進一步探索更復雜的宇宙相變過程。這些高維度模擬不僅可能超越傳統計算機的能力，還可能為解決現代物理學中的更多前沿難題提供重要的計算方法。

#參考來源：

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

#圖片來源：

封面圖：HoAnneLo / Pixabay

首圖：D-Wave Quantum Inc.