物理学家进行了一项宇宙模拟，从而揭开了宇宙最令人费解的一个谜团：我们是否正生活在一个脆弱、暂时的状态，随时可能崩塌为一个更稳定的现实？

他们使用一台强大的量子计算机，观察代表宇宙变换的泡沫闪烁生辉，仿佛亲历了终有一天会重塑现实结构的过程。该研究不仅揭示了宇宙的秘密，还预示着量子计算的革命，并可能重新定义我们对时间、空间以及技术的理解。

揭露宇宙定时炸弹

物理学家们进行了一项重大的新模拟，为理解某个可能会影响宇宙最终命运的神秘过程提供了新的见解。

大约50年前，理论物理学家提出，我们的宇宙可能陷入了“假真空”状态——这种状态看似稳定，但实际上可能是暂时的。根据这一理论，宇宙随时都可能过渡到更稳定的“真真空”状态。如果发生这种情况，现实的本质结构可能会瞬间发生巨大变化，构成万物的基本力和粒子都将发生改变。科学家认为，即便这种转变真的会发生，也不太可能在不久的将来出现，但它也可能在数百万年甚至数十亿年的时间尺度上发生。

现在，来自三个研究机构的国际团队利用强大的量子模拟，探索了这种假真空衰变可能展开的方式。他们的工作让我们对支配早期宇宙和物质最小构成单元的量子行为有了新的认识。该项目由利兹大学的兹拉特科·帕皮奇 (Zlatko Papic) 教授和德国于利希研究中心的雅卡·沃德布 (Jaka Vodeb) 博士领导。

纸牌屋：认识其中的利害关系

“我们谈论的是一个宇宙会彻底改变其结构的过程，”该论文的主要作者、利兹大学物理与天文学院理论物理学教授帕皮奇说。“基本常数可能会瞬间改变，我们所知的世界会像纸牌屋一样倒塌。我们真正需要的是可控实验，来观察这一过程并确定其时间尺度。”

该研究在探索量子动力学（即系统如何在量子力学的奇异规则下演化）方面取得了重大突破。该团队的模拟对于推进量子计算也具有实际意义，量子计算或许有一天能帮助科学家解决关于现实本质的最难谜题。

模拟宇宙之谜

这项研究由利兹大学、于利希研究中心和奥地利科学与技术研究所（ISTA）共同进行，旨在理解虚假真空衰变这一关键难题背后的潜在机制。他们使用了一台5564位量子位的量子退火器，这是一种由D-Wave Quantum公司设计的量子机器，旨在通过利用量子力学系统的独特属性，从一组可能的解决方案中找到最佳方案，从而解决复杂的优化问题。

在近日发表于《自然·物理》（Nature Physics）上的一篇论文中，研究团队阐述了他们如何利用该机器模拟假真空中气泡的行为。这些气泡类似于水蒸气在冷却至露点以下时在水中形成的气泡。据了解，这些气泡的形成、相互作用和传播将是假真空衰变的诱因。

该论文的另一位合著者让-伊夫·德索尔斯博士是ISTA的博士后研究员，曾在利兹大学取得博士学位，他说道：“该现象类似于过山车，在其行进过程中有多个低谷，但只有一个‘真正’的最低状态，即处于地面水平位置。

“如果事实确实如此，量子力学将使宇宙最终穿越至能量最低的状态或‘真正’的真空状态，而这一过程将引发灾难性的全球事件。”

量子泡沫揭示隐藏的舞蹈

量子退火器使科学家们能够观察到气泡复杂的“舞动”，包括气泡如何实时形成、生长和相互作用。这些观察结果表明，这些动态变化并非孤立事件——它们涉及复杂的相互作用，包括小气泡如何影响大气泡。研究团队表示，他们的发现为理解大爆炸后不久此类过渡是如何发生的提供了新的见解。

该论文的第一作者、尤利希博士后研究员沃德布博士说：“通过利用大型量子退火机的功能，我们的团队已经打开了研究非平衡量子系统和相变的大门，而这些用传统计算方法很难探索。”

量子模拟的新时代

物理学家们一直对赝真空衰变过程是否会发生以及如果发生会持续多久等问题心存质疑。然而，由于量子场论数学特性复杂，他们在寻找答案方面进展甚微。

该团队没有试图解决这些复杂的问题，而是着手回答那些可以使用新设备和硬件进行研究的更简单的问题。据认为，这是科学家首次能够在如此大的规模上直接模拟和观测到虚假真空衰变的动力学过程。

该实验需要将5564个量子比特（量子计算的基本构建单元）置于代表虚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虚假真空到真正真空的转变，这反映了虚假真空衰变理论中所描述的泡沫形成过程。本研究采用了一维模型，但研究人员认为，在同一退火机上实现三维版本是可能的。D-Wave机器已集成到位于于利希超级计算中心的于利希量子计算统一基础设施（JUNIQ）中。JUNIQ为科学界和工业界提供了使用最先进的量子计算设备的途径。

实验室中的桌面宇宙

Papic 教授说道：“我们正在努力开发一些系统，可以在这些系统中进行简单的实验来研究这类事物。这些过程在宇宙中发生的时间跨度十分巨大，但使用退火器可以让我们实时观测它们，因此我们实际上可以看到正在发生什么。

“这项激动人心的工作将尖端量子模拟与深奥理论物理相结合，显示出我们距离解开宇宙一些最大谜团还有多近。”

本研究由英国研究与创新署工程与物理科学研究理事会（EPSRC）和利弗休姆信托基金资助。研究结果表明，对于宇宙起源和归宿的洞察，不一定非得依赖斥资数百万英镑在诸如欧洲核子研究组织大型强子对撞机等专用高能设施中开展的实验。

帕皮奇教授补充道：“有了这些可以作为桌面‘实验室’的新工具，我们就能更有效地了解宇宙的基本动力学过程，这真令人兴奋。”

现实世界的影响

研究人员表示，他们的发现突显了量子退火机在解决远超理论物理范畴的实际问题方面的潜力。

研究人员表示，除了对宇宙学具有重要意义外，该研究对推进量子计算也具有实际意义。他们认为，了解虚假真空中的泡沫相互作用可能会改进量子系统处理错误和执行复杂计算的方式，有助于提高量子计算的效率。

沃德博士总结道：“这些突破不仅推动了科学知识的边界，还为未来的技术铺平了道路，这些技术可能会彻底改变密码学、材料科学和节能计算等领域。”

英国工程和物理科学研究理事会（EPSRC）战略执行主任凯达尔·潘迪亚博士说：“好奇心驱动的研究是英国工程和物理科学研究理事会支持工作的关键部分。该项目很好地证明了这一点，它将基础量子物理学的理念与量子计算的技术进步相结合，有助于回答关于宇宙本质的一些深奥问题。”

参考文献：《通过5564位量子退火器上相互作用的量子泡搅拌虚假真空》，雅卡·沃德布、让-伊夫·德索尔斯、安德鲁·哈勒姆、安德烈亚·拉瓦、格里戈尔·胡马尔、丹尼斯·威尔施、金凤萍、玛迪塔·威尔施、克里斯特尔·米歇尔斯和兹拉特科·帕皮奇著，2025年2月4日发表于《自然·物理》。DOI：10.1038/s41567-024-02765-w

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