پژوهشگران در دانشگاه لیدز انگلستان با استفاده از یک رایانه کوانتومی ۵,۵۶۴-کیوبیتی، پدیده «فروپاشی خلأ کاذب» را شبیهسازی و مشاهده کردند.
به گزارش تکناک این فرآیند که میتواند در تعیین سرنوشت نهایی جهان نقش داشته باشد، به انتقال آن به وضعیتی پایدارتر منجر میشود.
در این مطالعه، دانشمندان حبابهای کوانتومی متشکل از حداکثر ۳۰۶ کیوبیت را ایجاد و ردیابی کردند. نتایج نشان میدهد که این حبابهای کوچکتر، در میان نمونههای بزرگتر، حرکتهایی پیچیده را تجربه میکنند که بیش از ۱,۰۰۰ واحد زمانی کیوبیت ادامه داشته است.
این دستاورد نشان میدهد که چگونه آزمایشهای کوانتومی مقیاس کوچک میتوانند جایگزینی برای پژوهشهای کیهانی در مراکز بزرگی مانند برخورددهنده بزرگ هادرونی باشند.
بر اساس یافتههای آنها، جهان کنونی ممکن است در حالتی پایدار اما موقت قرار داشته باشد که در آینده به وضعیتی پایدارتر منتقل شود.
پژوهشگران در این تحقیق، نحوه شکلگیری و تعامل حبابهای «خلأ حقیقی» را درون یک خلأ کاذب بررسی کردند و به بینشهای تازهای درباره فیزیک بنیادی و آغاز کیهان دست یافتند.
پروفسور زلاتکو پاپیچ، استاد فیزیک نظری در دانشگاه لیدز و نویسنده اصلی مقاله، دراینباره میگوید:
«ما در مورد فرآیندی صحبت میکنیم که ممکن است ساختار بنیادی کیهان را دگرگون کند. این تغییرات میتوانند موجب تحول لحظهای ثابتهای بنیادی و در نتیجه، فروپاشی جهانی شوند که میشناسیم. آنچه در این مسیر اهمیت دارد، اجرای آزمایشهایی کنترلشده برای مشاهده و سنجش زمانبندی این فرآیند است.»
نزدیک به نیم قرن پیش، فیزیکدان سیدنی کولمن نظریهای ارائه کرد که بر اساس آن، جهان پس از بیگ بنگ، بهجای رسیدن به کمترین سطح انرژی خود، در وضعیتی به نام «خلأ کاذب» قرار گرفته است. این وضعیت ناپایدار، در نهایت با تشکیل و گسترش حبابهایی، به «خلأ حقیقی» تبدیل میشود؛ فرایندی که مشابه چگالش بخار آب به قطرات مایع است.
دکتر ژان-ایو دسول، پژوهشگر فوقدکتری در ISTA، این پدیده را به مسیری در یک ترن هوایی تشبیه میکند که در امتداد خود دارای چندین دره است، اما تنها یک نقطه با کمترین انرژی ممکن در پایینترین سطح آن وجود دارد. او میگوید:
«اگر چنین سناریویی صحیح باشد، بر اساس اصول مکانیک کوانتومی، کیهان سرانجام به حالت نهایی خود که همان ‘خلأ حقیقی’ است، انتقال مییابد. این فرآیند میتواند یک تحول عظیم کیهانی را در پی داشته باشد.»
اگرچه احتمال تغییر ساختار کیهانی در ابعاد جهانی ممکن است نگرانکننده به نظر برسد، پژوهشگران بر این باورند که این فرآیند به بازههای زمانی میلیونها ساله نیاز دارد. درواقع، اهمیت این تحقیق در توانایی بررسی این فرآیندهای کیهانی در شرایط آزمایشگاهی نهفته است.
به دلیل ماهیت کوانتومی این پدیده و چالشهای ایجاد شرایط آزمایشی مناسب، مطالعه آن تاکنون بسیار دشوار بوده است. اما گروهی از پژوهشگران از آلمان، اتریش، بریتانیا و اسلوونی، با بهرهگیری از فناوری رایانش کوانتومی، راهی نوین برای شبیهسازی و مشاهده فروپاشی خلأ کاذب توسعه دادهاند.
آنها در این پژوهش، از دستگاه کوانتومی دی-ویو، مستقر در مرکز ابررایانش یولیش آلمان، استفاده کردند. این سیستم از ۵,۵۶۴ عنصر ابررسانا موسوم به «فلکس کیوبیت» تشکیل شده که در یک آرایش حلقهای قرار دارند. پژوهشگران، با کنترل دقیق میدانهای مغناطیسی اعمالشده به این کیوبیتها، توانستند نواحی کوچکی مشابه حباب ایجاد کنند که قابلیت شکلگیری، رشد و تعامل با یکدیگر را دارند. این ساختارها بازتابی از شرایط احتمالی جهان اولیه و تغییرات آتی آن به شمار میروند.
دکتر یاکا وودب، نویسنده اصلی مقاله و پژوهشگر فوقدکتری در یولیش، در توضیح این پژوهش میگوید:
«ما توانستهایم با بهرهگیری از یک رایانه کوانتومی بزرگ، روشهای جدیدی برای مطالعه سیستمهای کوانتومی نامتعادل و گذارهای فازی که با روشهای محاسباتی کلاسیک دشوار است، معرفی کنیم.»
یکی از دستاوردهای کلیدی این پژوهش، مشاهده همزمان فرآیند شکلگیری حبابها و مطالعه تعامل آنها با یکدیگر است؛ دستاوردی که پیشتر امکانپذیر نبود. محققان دریافتند که حبابهای بزرگتر نمیتوانند بهطور مستقل گسترش یابند، بلکه نیازمند تعامل با حبابهای همجوار خود هستند تا رشد یا کوچک شوند. این تعامل منجر به فرآیند تبادل انرژی میان حبابهای کوانتومی میشود.
محققان، این پدیده را به گاز ناهمگنی تشبیه کردهاند که در آن، حبابهای کوچکتر و سبکتر در میان حبابهای بزرگتر و سنگینتر حرکت کرده و با یکدیگر تعامل دارند. این رفتار، بر اساس قوانین مکانیک کوانتومی شکل گرفته و برای بیش از ۱,۰۰۰ واحد زمانی کیوبیت پایدار مانده است—مدتی که در مقیاس سیستمهای کوانتومی، قابلتوجه محسوب میشود.
یکی از جنبههای چشمگیر این تحقیق، مشاهده حبابهایی متشکل از ۳۰۶ کیوبیت است که از نظر فناوری کنونی رایانش کوانتومی، یک دستاورد بزرگ به شمار میآید. نتایج این پژوهش که در مجله Nature Physics منتشر شده است، نشاندهنده پیشرفتهای سریع در فناوری رایانش کوانتومی و پتانسیل آن در شبیهسازی پدیدههای پیچیدهای است که مطالعه مستقیم آنها تاکنون امکانپذیر نبوده است.
پروفسور پاپیچ در پایان تأکید میکند: «این پژوهش، که ترکیبی از شبیهسازیهای پیشرفته کوانتومی و فیزیک نظری عمیق است، نشان میدهد که ما به حل برخی از بزرگترین اسرار کیهان نزدیکتر شدهایم. ابزارهای جدیدی که امروزه در اختیار داریم، میتوانند بهعنوان یک آزمایشگاه رومیزی، ما را در درک فرآیندهای بنیادی دینامیکی جهان یاری کنند.»
