物理学家进行了一项卓越的模拟，提供了关于一种神秘现象的新见解，该现象可能决定宇宙的最终命运。
大约五十年前，量子场论的创新研究指出，宇宙可能陷入了一个虚真空状态—看似稳定，但可能随时准备转变为一个更稳定的真正真空状态。这种转变可能导致宇宙结构的灾难性变化。尽管专家们发现很难预测时间，但他们相信这样的事件将发生在一个极其漫长的时间框架内，可能是数百万年。
涉及三家研究机构的集体努力导致了对虚真空衰减的重要发现—这一现象与宇宙的起源及亚原子粒子的行为有关。此次合作由利兹大学的扎尔特科·帕皮奇教授和德国于利希研究中心的雅卡·沃德布博士主导。
帕皮奇教授是主要作者，同时也是理论物理学教授，他解释道：“这一过程可能从根本上改变宇宙的结构。基本常数可能会突然变化，导致我们所知的现实完全崩溃，就像一座纸牌屋。我们需要控制实验来研究这一过程并确定其时间框架。”
研究人员声称，这代表了对量子动力学理解的重大进展，为量子计算和解决一些最具挑战性的基础物理问题开辟了激动人心的途径。
揭开宇宙之谜
这项由利兹大学、于利希研究中心和奥地利科学技术学院（ISTA）进行的研究，旨在解读虚真空衰减的核心谜团及其背后的机制。他们利用一台5564量子比特的量子退火机，这是一种由D-Wave Quantum Inc.制造的专用量子机器，能够利用量子力学的独特特性解决复杂的优化问题。
在他们最近于《自然物理学》上的发表的论文中（日期为2025年4月2日），研究团队描述了他们如何使该机器复制虚真空中气泡形成的行为—类似于在已冷却到其露点以下的水蒸气中形成的液体气泡。这些气泡的形成、相互作用和扩展被认为是虚真空衰减的触发因素。
共同作者、于利希研究中心的博士后研究员让-伊夫·德索尔斯指出：“这种情况类似于过山车，有多个低谷，但只有一个终极的低点在地面。如果是真的，量子力学将允许宇宙最终隧穿到最低能量状态，这可能导致一场灾难性的全球事件。”
量子退火机让研究人员实时目睹了气泡的形成、成长和相互作用的复杂“舞蹈”。他们的发现表明，这些动力学并不是孤立事件；相反，它们涉及复杂的相互作用，包括小气泡对大气泡的影响。这为这种转变在大爆炸后不久可能是如何发生的提供了新的视角。
该研究的第一作者、于利希的博士后研究员沃德布博士表示：“利用大型量子退火机使我们能够探索非平衡量子系统和通常难以用传统计算方法研究的相变。”
量子模拟的新前沿
物理学家们长期以来一直在争论虚真空衰减的可能性及其所需时间框架。然而，由于量子场论中涉及的复杂数学，进展一直缓慢。
研究团队旨在聚焦于可以利用新近可用硬件能力的较简单问题，而不是直接应对这些复杂问题。这标志着科学家们首次能够以如此规模直接模拟和观察虚真空衰减的动态。
该实验涉及将5564个量子比特—量子计算的基本单位—放置在代表虚真空的特定设置中。通过精确控制系统，研究人员能够发起从虚真空到真正真空的转变，复制虚真空衰减中假设的气泡形成。虽然该研究采用了一维模型，但预计三维模拟在同一退火机上也将是可行的。D-Wave机器是JUNIQ（于利希量子计算统一基础设施）的一部分，JUNIQ提供先进的量子计算技术给研究人员和工业界。
帕皮奇教授强调：“我们正在努力构建系统以进行基本实验，探索这些现象。尽管这些宇宙事件的时间尺度非常庞大，但退火机使我们能够实时观察它们并见证随之而来的过程。”
“这一开创性的工作将先进的量子模拟与深刻的理论物理相结合，强调了我们在解开宇宙一些伟大谜团方面有多么接近。”
该研究得到了英国研究与创新局工程和物理科学研究委员会（EPSRC）和Leverhulme信托的支持，表明关于宇宙起源和命运的重要见解并不总是需要在像CERN的大型强子对撞机这样的专业高能设施进行数百万英镑的实验。
帕皮奇教授补充道：“能够拥有这些新工具令人兴奋，这些工具可以作为一个桌面‘实验室’，用于研究宇宙中的基本动态过程。”
实践意义
研究人员认为，他们的发现展示了量子退火机在理论物理范围之外的实际实用性。
除了对宇宙学的影响外，这项研究还可能对量子计算的进步产生有益影响。理解虚真空中气泡相互作用的发生方式可能导致在错误管理和执行复杂计算方面的改进，从而最终提高量子计算的效率。
沃德布博士总结道：“这些进展不仅拓展了科学知识的前沿，而且为未来能够在密码学、材料科学和节能计算等领域转变的技术奠定了基础。”
EPSRC战略执行主任凯达尔·潘迪亚评论道：“以好奇心驱动的研究在EPSRC支持的项目中发挥着关键作用。该项目体现了基本量子物理概念与量子计算进展的结合，帮助解决关于宇宙本质的深刻问题。”
