Az ősrobbanás által fújt buborék viselkedésének kiszámítása eddig meghaladta a képességeinket. Egy különleges kvantum-számítástechnikai eszköz viszont segíthet a kérdés megfejtésében.
A Leedsi Egyetem, a Forschungszentrum Jülich és az Institute of Science and Technology Austria kutatói kvantummodellezés útján vizsgálták a kvantumfizika egyik világvége-elméletét, a hamis kvantumbomlást.
A amerikai elméleti fizikus, Sidney Coleman fejéből fél évszázada kipattant baljós kvantumtérelmélet szerint a világegyetem egy buborékban létezik, amelyben a vákuum stabilnak tűnik ugyan, de egyik pillanatról a másikra átmehet egy minimumenergiájú stabilabb, valódi vákuum állapotba.
Egy olyan folyamatról beszélünk, amelyben a világegyetem szerkezete teljesen átalakul. Az alapvető állandók azonnal megváltoznának, és a világ, amit ismerünk, kártyavárként omlana össze
– foglalta össze a dolgot az új kutatást vezető Zlatko Papic, a Leedsi Egyetem elméletifizika-professzora, aki szerint fontos, hogy megfigyeljük ezt a folyamatot, hogy meghatározhassuk esetleges bekövetkezésének idejét.
Az átmenetileg stabil kvantumbuborék az ősrobbanás során jelent meg, és az univerzum sorsa szorosan összefonódik azzal, hogy mi történik vele. Lényeges, hogy mindez nem jelent azonnali fenyegetést – e buborék kipukkanása, ha bekövetkezik, évmilliókig tarthat. A vég pontos meghatározása helyett egyelőre érdekesebb a kutatási módszer és a felhasznált technika.
A kutatók egy különleges kvantumszámítógépet, a D-Wave hatalmas, 5564 szupravezető qubites kvantumannealerét használták. A kvantumannealerek nem univerzális kvantumszámítógépek, hanem kifejezetten optimalizációs problémák megoldására használható, kvantumfluktuáción alapuló eszközök. Egy ilyen gép az összes lehetséges megoldás szuperpozíciójából indul ki, majd fokozatos fejlődés során eléri a optimálishoz közeli legalacsonyabb energiájú megoldást.
A kutatók szerint a jelenség, amit megfigyeltek, olyan volt, mint egy hullámvasút, amelynek pályáján több hullámvölgy is található, de csak egyetlen valódi legalacsonyabb pontja van – a végállomáson. A Nature Physics hasábjain bemutatott kutatásban az annealert hamis kvantumbuborékok viselkedésének utánzására használták. Viselkedésük ahhoz hasonló, ahogy a lecsapódó pára cseppekké áll össze. Kiderült, hogy a kvantumbuborékok tánca összetett kölcsönhatásokhoz vezet, amelyben a kisebb buborékok is hatással lehetnek a nagyobbakra.
Dr. Jaka Vodeb, a Jülich kutatóközpont munkatársa szerint a nagy annealer használatával utat nyitottak a nem nyugalmi állapotú kvantumrendszerek és halmazállapot-átmenetek tanulmányozása felé, ami a hagyományos számítógépek számára nagyon nehézkes. A fizika régóta kutatja, hogy vajon a hamis vákuum bomlása bekövetkezik-e, és ha igen, mikor, de ezt eddig nem sikerült megfejteni a kvantumtérelmélet bonyolult matematikája miatt. Ez volt az első eset, hogy ekkora léptékben sikerült modellezni a jelenséget.
A kutatók az annealer 5564 qubitjét speciális konfigurációba állítva olyan rendszert hoztak létre, amelyben egy hamis vákuum egy valódi vákuumba megy át – a folyamat tükrözte az elmélet által leírt buborékszerű viselkedést. A modell egyelőre egydimenziós volt, de ugyanezen az eszközön háromdimenziós változata is készülhet.
A kutatók szerint a kvantumbuborékok viselkedésének megismerése segíthet a kvantumszámítógépek fejlődése előtt álló legmakacsabb akadály, a kvantumzaj leküzdésében, vagyis hatékonyabb zajszűrő technikához nyithat utat. A kutatás horderejét az is emelte, hogy nem igényelt a Nagy Hadronütköztetőhöz hasonló költséges megaépítkezést. Papic professzor szerint az eszközük ehhez képest a világegyetem dinamikus folyamatainak kutatására alkalmas asztali laboratórium.