摘要：大约 50 年前，量子场论的先驱研究提出，宇宙可能被困在假真空中——这意味着它看起来稳定，但实际上可能即将过渡到更稳定的真真空状态。虽然这一过程可能引发宇宙结构的灾难性变化，但专家们一致认为，预测时间线具有挑战性，但它很可能发生在天文长度的很长一段时间内，可能

物理学家们进行了一项开创性的模拟，他们说这项模拟为可能决定宇宙最终命运的难以捉摸的现象提供了新的见解。

大约 50 年前，量子场论的先驱研究提出，宇宙可能被困在假真空中——这意味着它看起来稳定，但实际上可能即将过渡到更稳定的真真空状态。虽然这一过程可能引发宇宙结构的灾难性变化，但专家们一致认为，预测时间线具有挑战性，但它很可能发生在天文长度的很长一段时间内，可能跨越数百万年。

在三家研究机构的国际合作中，该团队报告获得了有关假真空衰变的宝贵见解——这一过程与宇宙的起源和最小尺度粒子的行为有关。该合作由利兹大学的 Zlatko Papic 教授和德国于利希研究中心的 Jaka Vodeb 博士领导。

这篇论文的主要作者、利兹大学物理与天文学院理论物理学教授帕皮克教授说：“我们正在讨论宇宙结构彻底改变的过程。基本常数可能会瞬间改变，我们所知道的世界将像纸牌屋一样倒塌。我们真正需要的是控制实验来观察这个过程并确定其时间尺度。”

研究人员表示，这项工作标志着理解量子动力学向前迈出了重要一步，为量子计算的未来及其研究宇宙基础物理学中一些最具挑战性的问题的潜力提供了令人兴奋的可能性。

模拟宇宙谜题

这项研究由利兹大学、于利希研究中心和奥地利科学技术研究所 (ISTA) 共同开展，旨在了解假真空衰变的关键谜题——其背后的潜在机制。他们使用 5564 量子比特量子退火器，这是由 D-Wave Quantum Inc. 设计的一种量子机器，通过利用量子力学系统的独特性质来解决复杂的优化问题——这涉及从一组可能的解决方案中找到最佳解决方案。

在今天（2025 年 2 月 4 日）发表在《自然物理》杂志上的论文中，研究小组解释了他们如何使用机器模拟假真空中气泡的行为。这些气泡类似于在冷却到露点以下的水蒸气中形成的液体气泡。据了解，这些气泡的形成、相互作用和扩散将是假真空衰减的触发因素。

研究报告的共同作者、ISTA 的博士后研究员 Jean-Yves Desaules 博士在利兹大学完成了博士学位，他表示：“这种现象类似于过山车，沿途有几处低谷，但只有一个‘真正的’最低状态，即地面。

“如果事实确实如此，量子力学将使宇宙最终隧穿到最低能量状态或‘真正的’真空，而这一过程将导致一场灾难性的全球事件。”

量子退火器使科学家能够观察到气泡复杂的“舞蹈”，包括它们如何实时形成、生长和相互作用。这些观察表明，动态过程并不是孤立事件——它们涉及复杂的相互作用，包括较小的气泡如何影响较大的气泡。该团队表示，他们的发现为了解这种转变如何在宇宙大爆炸后不久发生提供了新的见解。

该论文的第一作者、于利希大学博士后研究员 Vodeb 博士表示：“通过利用大型量子退火炉的功能，我们的团队打开了研究非平衡量子系统和相变的大门，而这些是传统计算方法难以探索的。”

量子模拟的新时代

物理学家长期以来一直质疑假真空衰变过程是否可能发生，如果发生，需要多长时间。然而，由于量子场论的数学性质难以处理，他们在寻找答案方面进展甚微。

该团队没有试图破解这些复杂问题，而是着手解决更简单的问题，这些问题可以使用新设备和硬件进行研究。这被认为是科学家首次能够直接模拟和观察如此大规模的假真空衰变动态。

实验涉及将 5564 个量子比特（量子计算的基本构件）放入代表假真空的特定配置中。通过仔细控制系统，研究人员可以触发从假真空到真真空的转变，反映出假真空衰减理论所描述的气泡形成过程。这项研究使用了一维模型，但人们认为在同一退火炉上也可以实现 3D 版本。D-Wave 机器集成到 JUNIQ，即 Jülich 超级计算中心的 Jülich 量子计算统一基础设施。JUNIQ 为科学和工业提供了最先进的量子计算设备。

帕皮克教授说：“我们正在尝试开发一种系统，以便进行简单的实验来研究这类事情。宇宙中发生的这些过程的时间尺度非常大，但使用退火炉可以让我们实时观察它们，这样我们就可以真正看到正在发生的事情。

“这项激动人心的工作将尖端的量子模拟与深度理论物理相结合，表明我们距离解决宇宙中的一些最大谜团还有多远。”

这项研究由英国研究与创新署工程和物理科学研究委员会 (EPSRC) 和利华休姆基金会资助。研究结果表明，了解宇宙的起源和命运并不总是需要在专用的高能设施中进行耗资数百万英镑的实验，例如欧洲核子研究中心的大型强子对撞机。

帕皮克教授补充道：“这些新工具可以有效地充当桌面‘实验室’，帮助我们了解宇宙的基本动力学过程，这令人兴奋不已。”

现实世界的影响

研究人员表示，他们的发现凸显了量子退火器在解决理论物理以外的实际问题方面的潜力。

研究人员表示，这项研究除了对宇宙学具有重要意义外，还对推动量子计算具有实际意义。他们认为，了解假真空中的气泡相互作用可以改善量子系统管理错误和执行复杂计算的方式，从而有助于提高量子计算的效率。

Vodeb 博士总结道：“这些突破不仅突破了科学知识的界限，而且为可能彻底改变密码学、材料科学和节能计算等领域的未来技术铺平了道路。”

EPSRC 战略执行董事 Kedar Pandya 博士表示：“好奇心驱动的研究是 EPSRC 支持工作的重要组成部分。该项目很好地展示了这项工作，将基础量子物理学的思想与量子计算的技术进步相结合，帮助解答有关宇宙本质的深层问题。”

论文：Jaka Vodeb、Jean-Yves Desaules、Andrew Hallam、Andrea Rava、Gregor Humar、Dennis Willsch、Fengping Jin、Madita Willsch、Kristel Michielsen、Zlatko Papić。通过 5,564 量子比特量子退火炉上相互作用的量化气泡来搅拌假真空。《自然物理》，2025 年；DOI：10.1038/s41567-024-02765-w

来源：人工智能学家