Οι Φυσικοί πραγματοποίησαν μια πρωτοποριακή προσομοίωση που, όπως λένε, ρίχνει νέο φως σε ένα ασύλληπτο φαινόμενο που θα μπορούσε να καθορίσει την τελική μοίρα του Σύμπαντος.
Μια πρωτοποριακή έρευνα στην κβαντική θεωρία πεδίου πριν από περίπου 50 χρόνια πρότεινε ότι το Σύμπαν μπορεί να είναι παγιδευμένο σε ένα ψευδές κενό, γεγονός που σημαίνει ότι φαίνεται σταθερό, αλλά στην πραγματικότητα θα μπορούσε να είναι στα πρόθυρα της μετάβασης σε μια ακόμη πιο σταθερή, πραγματική κατάσταση κενού. Αν και αυτή η διαδικασία θα μπορούσε να προκαλέσει μια καταστροφική αλλαγή στη δομή του Σύμπαντος, οι ειδικοί συμφωνούν ότι η πρόβλεψη του χρονοδιαγράμματος είναι δύσκολη. Ωστόσο, είναι πιθανό να συμβεί σε μια αστρονομικά μεγάλη περίοδο, που ενδεχομένως να εκτείνεται σε εκατομμύρια χρόνια.
Σε μια διεθνή συνεργασία μεταξύ τριών ερευνητικών ιδρυμάτων, η ομάδα αναφέρει ότι αποκτά πολύτιμες γνώσεις σχετικά με τη διάσπαση του ψευδούς κενού, μια διαδικασία που συνδέεται με την προέλευση του Σύμπαντος και τη συμπεριφορά των σωματιδίων στις μικρότερες κλίμακες. Επικεφαλής της συνεργασίας είναι ο καθηγητής Zlatko Papic, από το Πανεπιστήμιο του Leeds, και ο Dr. Jaka Vodeb, από το Κέντρο Υπερυπολογιστών Jülich (JSC) στο Forschungszentrum Jülich της Γερμανίας.
Μιλάμε για μια διαδικασία με την οποία το Σύμπαν θα άλλαζε εντελώς τη δομή του. Οι θεμελιώδεις σταθερές θα μπορούσαν να αλλάξουν ακαριαία και ο κόσμος όπως τον ξέρουμε θα κατέρρεε σαν χάρτινος πύργος. Αυτό που πραγματικά χρειαζόμαστε είναι ελεγχόμενα πειράματα για να παρατηρήσουμε αυτή τη διαδικασία και να προσδιορίσουμε τις χρονικές κλίμακες της.
Οι ερευνητές λένε ότι η εργασία αυτή σηματοδοτεί ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός στην κατανόηση της κβαντικής δυναμικής, προσφέροντας συναρπαστικές δυνατότητες για το μέλλον της Κβαντικής Πληροφορικής και τις δυνατότητες της για τη μελέτη μερικών από τα πιο δύσκολα προβλήματα γύρω από τη θεμελιώδη φυσική του Σύμπαντος.
Η έρευνα, από το Πανεπιστήμιο του Leeds, το Κέντρο Υπερυπολογιστών Jülich και το Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Αυστρίας (ISTA), αποσκοπεί στην κατανόηση του βασικού γρίφου της ψευδούς διάσπασης του κενού – του μηχανισμού που κρύβεται πίσω από αυτή. Χρησιμοποίησαν έναν κβαντικό ανορθωτή 5564qubit, έναν τύπο κβαντικής μηχανής που σχεδιάστηκε από την D-Wave Quantum Inc. για την επίλυση πολύπλοκων προβλημάτων βελτιστοποίησης – τα οποία περιλαμβάνουν την εύρεση της καλύτερης λύσης από ένα σύνολο πιθανών λύσεων – αξιοποιώντας τις μοναδικές ιδιότητες των κβαντομηχανικών συστημάτων.
Στην εργασία, που δημοσιεύθηκε στις 04/02/2025 στο επιστημονικό περιοδικό Nature Physics, η ομάδα εξηγεί πώς χρησιμοποίησε τη μηχανή για να μιμηθεί τη συμπεριφορά των φυσαλίδων σε ένα ψεύτικο κενό. Οι φυσαλίδες αυτές είναι παρόμοιες με τις φυσαλίδες υγρού που σχηματίζονται σε υδρατμούς, που ψύχονται κάτω από το σημείο δρόσου τους. Είναι κατανοητό ότι ο σχηματισμός, η αλληλεπίδραση και η εξάπλωση αυτών των φυσαλίδων θα ήταν το έναυσμα για την αποσύνθεση του ψευδοκενού.
Ο συν-συγγραφέας Dr. Jean-Yves Desaules, μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο ISTA, ο οποίος ολοκλήρωσε το διδακτορικό του στο Πανεπιστήμιο του Leeds, δήλωσε:
Το φαινόμενο αυτό είναι συγκρίσιμο με ένα τρενάκι του λούνα παρκ που έχει πολλές κοιλάδες κατά μήκος της τροχιάς του, αλλά μόνο μία «αληθινή» χαμηλότερη κατάσταση, στο επίπεδο του εδάφους. Αν όντως συμβαίνει αυτό, η κβαντομηχανική θα επέτρεπε στο Σύμπαν να περάσει τελικά από το τούνελ στη χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση ή στο «αληθινό» κενό και αυτή η διαδικασία θα οδηγούσε σε ένα κατακλυσμιαίο παγκόσμιο γεγονός.
Μιλάμε για μια διαδικασία με την οποία το Σύμπαν θα άλλαζε εντελώς τη δομή του. Οι θεμελιώδεις σταθερές θα μπορούσαν να αλλάξουν ακαριαία και ο κόσμος όπως τον ξέρουμε θα κατέρρεε σαν χάρτινος πύργος.
Η κβαντική ανόπτηση επέτρεψε στους επιστήμονες να παρατηρήσουν τον περίπλοκο «χορό» των φυσαλίδων, ο οποίος περιλαμβάνει τον τρόπο με τον οποίο σχηματίζονται, αναπτύσσονται και αλληλεπιδρούν σε πραγματικό χρόνο. Οι παρατηρήσεις αυτές αποκάλυψαν ότι οι δυναμικές δεν είναι μεμονωμένα γεγονότα – περιλαμβάνουν πολύπλοκες αλληλεπιδράσεις, συμπεριλαμβανομένου του τρόπου με τον οποίο οι μικρότερες φυσαλίδες μπορούν να επηρεάσουν τις μεγαλύτερες. Η ομάδα αναφέρει ότι τα ευρήματά τους παρέχουν νέες πληροφορίες για το πώς τέτοιες μεταβάσεις θα μπορούσαν να έχουν συμβεί λίγο μετά το Big Bang.
Ο πρώτος συγγραφέας της δημοσίευσης Dr. Vodeb, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Jülich, δήλωσε:
Αξιοποιώντας τις δυνατότητες ενός μεγάλου συστήματος κβαντικής ανόπτησης, η ομάδα μας άνοιξε την πόρτα για τη μελέτη κβαντικών συστημάτων μη ισορροπίας και μεταβάσεων φάσης που διαφορετικά είναι δύσκολο να διερευνηθούν με τις παραδοσιακές υπολογιστικές μεθόδους.
Οι Φυσικοί αναρωτιούνται εδώ και καιρό αν η διαδικασία της ψευδούς διάσπασης του κενού θα μπορούσε να συμβεί και αν ναι, πόσο χρόνο θα χρειαζόταν. Ωστόσο, έχουν σημειώσει μικρή πρόοδο στην εξεύρεση απαντήσεων λόγω της δυσκίνητης μαθηματικής φύσης της κβαντικής θεωρίας πεδίου.
Αντί να προσπαθήσει να λύσει αυτά τα πολύπλοκα προβλήματα, η ομάδα έβαλε στόχο να απαντήσει σε πιο απλά προβλήματα που μπορούν να μελετηθούν με τη χρήση νέων διαθέσιμων συσκευών και υλικού. Θεωρείται ότι αυτή είναι μία από τις πρώτες φορές που οι επιστήμονες κατάφεραν να προσομοιώσουν άμεσα και να παρατηρήσουν τη δυναμική της ψευδούς διάσπασης του κενού σε τόσο μεγάλη κλίμακα.
Το πείραμα περιελάμβανε την τοποθέτηση 5564 qubits – τα στοιχειώδη δομικά στοιχεία των κβαντικών υπολογιστών – σε συγκεκριμένες διαμορφώσεις που αντιπροσωπεύουν το ψευδές κενό. Ελέγχοντας προσεκτικά το σύστημα, οι ερευνητές μπόρεσαν να προκαλέσουν τη μετάβαση από το ψευδές στο πραγματικό κενό, αντικατοπτρίζοντας τον σχηματισμό των φυσαλίδων, όπως περιγράφεται από τη θεωρία αποσύνθεσης του ψευδούς κενού. Η μελέτη χρησιμοποίησε ένα μονοδιάστατο μοντέλο, αλλά πιστεύεται ότι οι τρισδιάστατες εκδόσεις θα είναι δυνατές στον ίδιο ανορθωτή. Η μηχανή D-Wave είναι ενσωματωμένη στο JUNIQ, την ενοποιημένη υποδομή Jülich UNified Infrastructure for Quantum computing στο Κέντρο Υπερυπολογιστών Jülich. Το JUNIQ παρέχει στην επιστήμη και τη βιομηχανία πρόσβαση σε συσκευές κβαντικών υπολογιστών τελευταίας τεχνολογίας.
Ο καθηγητής Papic δήλωσε:
Προσπαθούμε να αναπτύξουμε συστήματα με τα οποία μπορούμε να διεξάγουμε απλά πειράματα για να μελετήσουμε τέτοιου είδους πράγματα. Οι χρονικές κλίμακες για αυτές τις διαδικασίες που συμβαίνουν στο Σύμπαν είναι τεράστιες, αλλά η χρήση του ανορθωτή μας επιτρέπει να τις παρατηρούμε σε πραγματικό χρόνο, ώστε να μπορούμε να δούμε πραγματικά τι συμβαίνει. Αυτή η συναρπαστική εργασία, η οποία συνδυάζει την πρωτοποριακή κβαντική προσομοίωση με τη βαθιά θεωρητική φυσική, δείχνει πόσο κοντά βρισκόμαστε στην επίλυση μερικών από τα μεγαλύτερα μυστήρια του Σύμπαντος.
Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το Ερευνητικό Συμβούλιο Μηχανικών και Φυσικών Επιστημών του Ηνωμένου Βασιλείου (EPSRC) και το Leverhulme Trust. Τα ευρήματα δείχνουν ότι οι γνώσεις σχετικά με την προέλευση και την τύχη του Σύμπαντος δεν χρειάζεται πάντα να απαιτούν πειράματα πολλών εκατομμυρίων σε ειδικές εγκαταστάσεις υψηλής ενέργειας, όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων στο CERN.
Ο καθηγητής Papic πρόσθεσε:
Είναι συναρπαστικό να έχουμε αυτά τα νέα εργαλεία που θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν αποτελεσματικά ως επιτραπέζιο «εργαστήριο» για την κατανόηση των θεμελιωδών δυναμικών διεργασιών στο Σύμπαν.
Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι τα ευρήματά τους αναδεικνύουν τις δυνατότητες της κβαντικής ανόπτησης για την επίλυση πρακτικών προβλημάτων πολύ πέρα από τη θεωρητική Φυσική. Πέρα από τη σημασία της για την Κοσμολογία, η μελέτη έχει πρακτικές συνέπειες για την πρόοδο της Κβαντικής Πληροφορικής. Πιστεύουν ότι η κατανόηση των αλληλεπιδράσεων των φυσαλίδων στο ψεύτικο κενό θα μπορούσε να οδηγήσει σε βελτιώσεις στον τρόπο με τον οποίο τα κβαντικά συστήματα διαχειρίζονται τα σφάλματα και εκτελούν πολύπλοκους υπολογισμούς, συμβάλλοντας έτσι στο να γίνει η Κβαντική Πληροφορική πιο αποδοτική.
Ο Dr. Vodeb κατέληξε:
Αυτές οι ανακαλύψεις όχι μόνο διευρύνουν τα όρια της επιστημονικής γνώσης αλλά και ανοίγουν το δρόμο για μελλοντικές τεχνολογίες που θα μπορούσαν να φέρουν επανάσταση σε τομείς όπως η κρυπτογραφία, η επιστήμη των υλικών και η ενεργειακά αποδοτική πληροφορική.
Ο Dr. Kedar Pandya, εκτελεστικός διευθυντής στρατηγικής του EPSRC, δήλωσε:
Η καθοδηγούμενη από την περιέργεια έρευνα αποτελεί κρίσιμο τμήμα του έργου που υποστηρίζει το EPSRC. Το πρόγραμμα αυτό είναι μια εξαιρετική επίδειξη αυτού του έργου, με ιδέες από τη θεμελιώδη κβαντική φυσική να συνδυάζονται με τεχνολογικές εξελίξεις στην Κβαντική Πληροφορική για να βοηθήσουν να απαντηθούν βαθιά ερωτήματα σχετικά με τη φύση του Σύμπαντος.
*Η κεντρική εικόνα αποτελεί AI δημιουργία του Imagen 3 για λογαριασμό του Techgear.gr
[via]
