国际量子科技前沿｜扰动量子世界的“泡泡”：在量子退火机上探索虚假真空衰变
国际量子科技前沿｜扰动量子世界的“泡泡”：在量子退火机上探索虚假真空衰变
1. 量子退火机中的量子气泡之旅
在量子物理的世界里，有一个神秘而迷人的现象——虚假真空衰变。它描述的是从一种亚稳态量子态到真实真空态的转变过程。这种现象在量子场论和非平衡现象中扮演着重要角色。然而，由于其非微扰的特性以及实验观测的困难，虚假真空衰变一直是物理学家们研究的难点。最近，来自德国于利希超算中心、奥地利科学技术研究所（ISTA）、英国利兹大学、斯洛文尼亚约瑟夫·斯特凡研究所等多个机构的科学家们组成了一支国际团队，利用一台拥有5564个量子比特的量子退火机（图1所示），成功地在实验中观察到了虚假真空衰变过程中的量子气泡形成和相互作用，为这一领域带来了新的曙光。
图1 D-Wave的5000+量子比特Advantage量子芯片
2. 研究背景
在宇宙的漫长历史中，有一个大胆而迷人的假设：在大爆炸之后，我们的宇宙可能冷却到了一个“虚假真空”状态。这个概念最早由物理学家科尔曼（S. Coleman）在近半个世纪前提出。虚假真空是一个亚稳态，它看起来像是一个稳定的平衡状态，但实际上并不是系统的最低能量状态。换句话说，它处于一种“暂时稳定”的状态，但最终可能会通过量子隧穿的方式衰变到真正的真空态。这种衰变过程可能伴随着宇宙中一些极端重要的事件，比如宇宙的相变、引力波的产生等。
虚假真空衰变的理论模型中，一个关键的特征是“气泡”的形成。想象一下，在虚假真空的背景下，会出现一些“真实真空”气泡。气泡的大小是通过平衡与气泡体积成正比的能量增益和与气泡表面积成正比的能量损失来确定的。气泡的体积越大，能量增益越大；而气泡的表面积越大，能量损失越大。这些气泡最初会通过量子隧穿的方式形成，然后可能会像经典物理中的气泡一样，生长和扩散。然而由于量子效应的存在，这个过程非常复杂，难以用传统的微扰理论来描述。
尽管科学家们对虚假真空衰变的理论进行了深入研究，但实验上的验证一直是一个巨大的挑战。一方面，这种衰变过程可能需要极其漫长的时间，甚至与宇宙的寿命相当；另一方面，直接观测这种微观的量子现象需要极高的精度和控制能力。为了解决这一问题，早期的研究曾探索在实验室中直接创造新宇宙的可能性，或者在凝聚态物质系统中实现这一目标。随着超冷原子气体技术的进步，虚假真空衰变的某些方面现在可以在桌面实验中进行研究。
近年来，随着量子技术的飞速发展，人们开始尝试利用各种量子平台来模拟和研究虚假真空衰变。这些平台包括超冷原子气体、超导电路、囚禁离子和里德堡原子等。其中，量子退火机作为一种特殊的量子计算设备，因其能够处理大规模的量子比特系统而备受关注。量子退火机的核心思想是利用量子比特的量子隧穿和退火过程来解决复杂的优化问题。它通过调整量子比特之间的相互作用和外部场，引导系统从一个初始状态演化到目标状态。在这个过程中，量子比特的量子态会发生复杂的演化，这为研究量子多体系统中的非平衡现象提供了独特的机遇。国际团队正是看到了量子退火机在模拟虚假真空衰变方面的潜力，于是决定利用它来探索这一神秘的量子现象。
该国际研究团队发现，由于存在布洛赫振荡，一个大的量子化气泡不能单独扩散，只有通过两个相邻气泡之间的相互作用，一个气泡才能通过减小另一个气泡的大小来扩大自己。一旦被减小到最小尺寸（一个晶格点），气泡就可以在系统中自由移动。这些结果表明，虚假真空动力学可以被视为一种异质气泡气体，其中最小的“轻”气泡在较大的“重”气泡背景中反弹，而这些较大的气泡则直接相互作用。
3. 研究内容
科学家们首先在量子退火机中实时观察到了量子化泡泡的形成过程。他们通过精确调控纵向磁场，使得系统在假真空态和真真空态之间发生转变，并实时监测了这一过程中的量子化泡泡的形成与演化。实验结果显示，随着纵向磁场的改变，不同大小的量子化泡泡逐渐出现，其大小与理论预测一致。这一发现为理解量子真空衰变的微观机制提供了直接的实验证据。
图2 在量子退火机上实现虚假真空衰变
为了深入研究量子真空衰变的动力学过程，科学家们在量子退火机中模拟了铁磁量子伊辛模型。他们将量子比特排列成一个环形结构，如图2所示，并通过调控横向和纵向磁场来驱动系统的量子动力学。通过这种模拟，他们不仅观察到了量子化泡泡的形成，还发现这些泡泡在相互作用过程中表现出复杂的动力学行为。例如，当两个相邻的泡泡相互作用时，一个泡泡可以通过缩小另一个泡泡的大小来增大自身，而当泡泡缩小到最小尺寸时，它可以在系统中自由移动。这一发现揭示了量子真空衰变过程中泡泡相互作用的重要性。
科学家们进一步研究了量子化泡泡的动力学行为，并提出了一个有效的理论模型来描述这一过程。他们发现，泡泡的形成和演化受到横向磁场和纵向磁场的共同影响。通过精确测量不同磁场强度下的泡泡密度，他们发现泡泡密度与磁场强度之间存在明确的依赖关系。此外，他们还观察到了不同大小泡泡之间的相互作用，这些相互作用导致了泡泡大小的动态变化。这些发现不仅为理解量子真空衰变的动力学提供了新的视角，还为开发新的量子模拟方法提供了理论基础。
在量子真空衰变过程中，泡泡之间的相互作用起着至关重要的作用。科学家们通过理论分析和数值模拟，详细研究了泡泡相互作用的动力学过程。如图3所示，研究者们发现对于单个泡泡，由于能量守恒的限制，它们无法通过相互作用形成更大的泡泡。然而，对于更大的泡泡，它们可以通过与相邻泡泡的相互作用来改变自身的大小。这种相互作用不仅导致了泡泡大小的动态变化，还使得系统中出现了不同大小的泡泡共存的现象。此外，科学家们还发现，泡泡相互作用的敏感性与磁场的微小波动密切相关，这表明在实际的量子系统中，环境因素对泡泡动力学的影响不容忽视。
图3 量子泡泡之间的相互作用动力学
4. 总结与展望
这项研究通过利用量子退火机成功地模拟了量子真空衰变过程，并实时观察到了量子化泡泡的形成与相互作用。这一成果不仅为理解量子真空衰变的微观机制提供了直接的实验证据，还展示了量子退火机在探索复杂量子现象方面的巨大潜力。通过精确调控量子比特之间的相互作用，科学家们能够深入研究量子真空衰变的动力学过程，并揭示了泡泡相互作用在这一过程中的重要作用。
这一研究平台有望为探索更多复杂的量子现象提供新的思路和方法。例如，科学家们可以利用量子退火机研究更高维度的量子真空衰变过程，或者探索不同晶格拓扑结构下的量子现象。此外，这一平台还可以用于研究量子相变、量子多体疤痕等非平衡量子现象，为量子物理的前沿研究开辟新的道路。随着量子退火技术的不断发展，我们有理由相信，量子退火机将在未来的量子科学研究中发挥更加重要的作用，为我们揭示更多微观世界的奥秘。
5. 量子退火机简介
量子退火机是一种专门设计，可用于模拟复杂量子系统和解决优化问题的量子计算设备，在量子信息科学和凝聚态物理学研究中具有重要意义。它通过比特的量子隧穿效应来寻找系统的最低能量态，在解决某些问题上具有显著的优势。首先是量子退火机能够模拟凝聚态物理学中的一些复杂系统和动力学行为。如在模拟自旋玻璃的相变动力学行为方面，帮助研究者理解其复杂的能量演化和量子临界现象。量子退火机可以模拟量子系统的相变过程，包括从一个量子态到另一个量子态的转变。通过调整系统的参数（如磁场或耦合强度），研究人员可以观察到量子相变的动态过程，包括量子临界点附近的奇异行为。在模拟量子场论预言的某些现象方面，通过构建与量子场论模型等效的哈密顿量，量子退火机可以模拟包括虚假真空衰变在内的诸多现象。前文介绍的是基于量子退火机中观测到的量子化泡泡的形成和相互作用，为量子场论中非微扰现象的研究提供新的思路。在模拟分子和化学反应中的量子行为方面，通过将分子的哈密顿量映射到量子退火机上，研究人员可以研究分子的电子结构和化学反应的动力学过程。在量子信息科学与技术方面，量子退火机能够处理物理系统中的量子纠缠和量子关联，帮助研究者理解其复杂的量子动力学。其次，随着技术的不断进步，量子退火机有望在更多领域发挥重要作用，为解决复杂的量子问题提供新的工具和方法。此外，量子退火机在解决优化问题方面同样具有显著优势，例如旅行商问题（TSP）、最大割问题（Max-Cut）和组合优化问题。这些优化问题在计算机科学、运筹学和工程学中具有广泛的应用。
图4 D-Wave 第5代 Advantage 量子计算机
相关链接
3.https://www.dwavesys.com/solutions-and-products/systems/
(本栏目所有编译和统稿文章旨在科学传播和学习交流，非商业用途。)