Квантовий симулятор відтворив механізм можливої загибелі Всесвіту

Фізики-теоретики давно розглядають один із найтривожніших сценаріїв долі Всесвіту: десь у космосі народжується крихітна бульбашка «істинного вакууму», яка починає розширюватися зі швидкістю, близькою до швидкості світла, і переписує закони фізики на своєму шляху. Для будь-якого спостерігача такий кінець був би миттєвим — і непомітним заздалегідь.

Дослідники з Університету Цинхуа заявили, що змоделювали ключовий механізм цього процесу на програмованому квантовому симуляторі. Йдеться не про доказ того, що Всесвіт перебуває на межі загибелі — вчені відтворили фізичну модель переходу з нестабільного стану до нижчого енергетичного рівня, яка дозволяє вивчати цей феномен у контрольованих умовах.

Сценарій відомий як розпад хибного вакууму. Хибний вакуум — це стан, який виглядає стабільним, але не має мінімально можливої енергії. Квантова флуктуація теоретично здатна перевести ділянку простору в «істинний вакуум», після чого нова область починає розширюватися, захоплюючи сусідні частинки. Ідею сформулював у 1970‑х роках фізик Сідні Коулман, і відтоді вона залишається однією з найефектніших і водночас найнеприємніших гіпотез теоретичної фізики. За деякими оцінками, час очікування такої події може перевищувати 10 у ступені 10⁵ років — або ж узагалі не стосуватися реального Всесвіту, якщо його нинішній вакуум не є хибним.

Для експерименту команда зібрала одновимірне кільце з висококозбуджених атомів рубідію-87 у ридберзькому стані. Такі атоми активно взаємодіють між собою і добре підходять для квантового моделювання складних систем. Атомний масив сформував два виродженних антиферомагнітних стани, після чого дослідники за допомогою адресних лазерів підвищили енергію одного з них, перетворивши його на штучний «хибний вакуум», тоді як другий став аналогом «істинного». Після увімкнення глобальних лазерів у системі виникли квантові флуктуації, і симулятор почав переходити з хибного вакууму в істинний — вчені безпосередньо спостерігали зародження і зростання бульбашок нового стану. Керівник роботи, фізик-теоретик Ван Сяо, зазначив, що команда вперше наочно побачила нуклеацію та розширення бульбашок істинного вакууму.

За словами Вана, самі лазерні операції не були чимось незвичним. Головна ідея полягала в тому, щоб пов’язати стандартні прийоми керування атомами з конкретним фізичним змістом: через порушення симетрії задати різницю енергій між хибним і істинним вакуумом. Дослідники наголошують, що експеримент не відповідає на питання, чи перебуває реальний Всесвіт у хибному вакуумі, і не дозволяє обчислити можливий час його розпаду. Ван уточнив: за такого сценарію бульбашка справді поширювалася б «як горіння» і призвела б до катастрофічних наслідків, однак робота команди не робить жодних прогнозів щодо долі Всесвіту.

Цінність експерименту — в іншому. Фізики отримали рідкісну можливість пов’язати абстрактні ідеї квантової теорії поля з керованою квантовою матерією в лабораторії, що дозволяє перевіряти моделі, які неможливо спостерігати безпосередньо в космосі. Робота також демонструє потенціал масивів ридберзьких атомів — одного з найпомітніших напрямків у квантових технологіях сьогодні. Нейтрально-атомні симулятори простіші в реалізації, ніж універсальні квантові комп’ютери: не потрібно точно керувати кожною парою кубітів, достатньо підготувати початковий стан і спостерігати за природною еволюцією системи.

У цій гонці беруть участь провідні наукові групи Франції та США, а також великі технологічні компанії, зокрема Google. На думку Вана, квантове моделювання вже стало потужним експериментальним інструментом, наукова цінність якого цілком порівнянна з можливостями універсального квантового комп’ютера.