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Resonant false vacuum decay in two dimensions on a 4000-qubit quantum annealer

4000-क्यूबिट क्वांटम एनेलर का उपयोग करके एक द्वि-आयामी क्वांटम आइसिंग मॉडल का अनुकरण करते हुए, शोधकर्ताओं ने फॉल्स वैक्यूम डिके (false vacuum decay) का एक विशिष्ट शासन प्रदर्शित किया जहाँ अनुनाद स्थितियाँ डोमेन विकास को न्यूक्लिएशन की तुलना में अत्यधिक तीव्र करने में सक्षम बनाती हैं, जिसके परिणामस्वरूप कार्दार-पारीसी-ज़ेबिक (Kardar-Parisi-Zhang) सार्वभौमिकता के अनुरूप लगभग बैलिस्टिक विस्तार होता है।

मूल लेखक: Gregor Humar, Jean-Yves Desaules, Luka Pavešić, Marko Ljubotina, Zlatko Papić, Kristel Michielsen, Jaka Vodeb

प्रकाशित 2026-06-25

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Gregor Humar, Jean-Yves Desaules, Luka Pavešić, Marko Ljubotina, Zlatko Papić, Kristel Michielsen, Jaka Vodeb

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि आप बर्फ के एक विशाल, जमे हुए मैदान (जिसे "फॉल्स वैक्यूम" या आभासी निर्वात कहा जा सकता है) में खड़े हैं। यह बर्फ स्थिर है, लेकिन गहराई में आप जानते हैं कि एक गर्म, तरल अवस्था (जिसे "ट्रू वैक्यूम" या वास्तविक निर्वात कहा जाता है) मौजूद है, जिसमें यह सिस्टम होना चाहता है। आमतौर पर, इस बर्फ को पिघलाने के लिए आपको एक यादृच्छिक, भाग्यशाली दुर्घटना का इंतज़ार करना पड़ता है—एक अकेला अणु बिल्कुल सही तरीके से कंपन करता है ताकि एक छोटा सा पोखर बन सके। एक बार जब वह पोखर बन जाता है, तो वह धीरे-धीरे बढ़ता है, और बर्फ को खाकर खत्म कर देता है। "फॉल्स वैक्यूम डिके" (आभासी निर्वात क्षय) आमतौर पर इसी तरह काम करता है: एक बुलबुला बनने का इंतज़ार करने की एक धीमी प्रक्रिया, और फिर उसे फैलते हुए देखने की प्रक्रिया।

"रेजोनेंट" शॉर्टकट (अनुनाद का छोटा रास्ता)

शोधकर्ताओं ने एक विशाल क्वांटम कंप्यूटर (एक ऐसी मशीन जिसमें 4,000 से अधिक छोटे क्वांटम बिट्स या "क्यूबिट्स" हैं) का उपयोग करके चुंबकीय स्पिन के एक 2D ग्रिड का अनुकरण (सिमुलेशन) किया। उन्होंने सिस्टम को इस तरह सेट किया कि वह उस जमे हुए "फॉल्स वैक्यूम" की स्थिति में फंस गया हो।

फिर, उन्होंने एक विशिष्ट "सीड" (बीज) पेश किया—बीच में एक उल्टा हुआ एकल स्पिन, जैसे बर्फ पर गर्म पानी की एक छोटी सी बूंद।

एक सामान्य परिदृश्य में, यह बूंद धीरे-धीरे बढ़ेगी। लेकिन शोधकर्ताओं ने सिस्टम को एक विशिष्ट "रेजोनेंस" (अनुनाद) के लिए ट्यून किया। इसे एक रेडियो को एक विशिष्ट फ्रीक्वेंसी पर ट्यून करने जैसा समझें। जब उन्होंने इस सटीक फ्रीक्वेंसी (एक विशिष्ट चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति) को प्राप्त किया, तो कुछ जादुई हुआ: बर्फ सिर्फ पिघली नहीं; वह बिखर गई (shattered)।

इस रेजोनेंस पर, बुलबुले के किनारे पर एक स्पिन को पलटना ऊर्जा के मामले में "मुफ्त" हो गया। यह एक ऐसा दरवाजा खोजने जैसा था जो खुला हुआ था। नए बुलबुले को शुरू करने के लिए दुर्लभ और कठिन घटना का इंतज़ार करने के बजाय, मौजूदा बुलबुला अपने पड़ोसियों को एक-एक करके बदलकर तुरंत फैल सकता था।

परिणाम: एक बिजली जैसी तेज़ विस्फोट

शोधकर्ताओं ने दावा किया कि इन अनुनादी स्थितियों के तहत, "ट्रू वैक्यूम" बुलबुले का विकास नए बुलबुले बनने की प्रक्रिया की तुलना में हजारों गुना तेज़ हो गया।

उपमा: कल्पना कीजिए कि डोमिनोज़ (dominoes) की एक पंक्ति है। आमतौर पर, आपको पहली डोमिनो को गिराना पड़ता है और श्रृंखला प्रतिक्रिया के फैलने में समय लगता है। इस प्रयोग में, शोधकर्ताओं ने डोमिनोज़ को इतनी तेज़ी से गिरने का तरीका खोजा कि "गिरने" की प्रक्रिया "उन्हें गिराने" की प्रक्रिया से पूरी तरह आगे निकल गई। बुलबुला सिर्फ बढ़ा नहीं; यह एक शॉकवेव की तरह बाहर की ओर तेजी से झपटा।

विकास का आकार

शोधकर्ताओं ने इस बुलबुले के विस्तार के दो अलग-अलग व्यवहार देखे:

बैलिस्टिक ग्रोथ (द बुलेट - गोली की तरह गति): बुलबुले का किनारा एक सीधी रेखा में, लगभग निरंतर और उच्च गति से बाहर की ओर बढ़ा। यह बर्फ के माध्यम से चलती हुई एक गोली की तरह था।
रफनिंग (द फ्रैक्टल एज - ऊबड़-खाबड़ किनारा): जबकि बुलबुला तेज़ गति से बढ़ रहा था, इसका किनारा पूरी तरह से चिकना नहीं था। यह टेढ़ा-मेढ़ा और खुरदरा हो गया, जो एक "फ्रैक्टल" पैटर्न (जैसे बिजली की चमक या फर्न का पत्ता) में विकसित हुआ। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह रफनिंग एक बहुत ही प्रसिद्ध गणितीय नियम का पालन करती है जिसे कार्डर-पार्सीज़िप-ज़िग ज़ैग (KPZ) यूनिवर्सलिटी क्लास कहा जाता है।
- सरल रूपक: कल्पना कीजिए कि आप एक रोलर से दीवार पेंट कर रहे हैं। यदि आप इसे बिल्कुल सीधा चलाते हैं, तो किनारा चिकना होता है। लेकिन यदि आप एक विशिष्ट प्रकार के डगमगाहट (wobble) के साथ रोल करते हैं, तो किनारा एक अनुमानित, सांख्यिकीय तरीके से खुरदरा हो जाता है। क्वांटम बुलबुले का किनारा इसी विशिष्ट, सार्वभौमिक तरीके से "डगमगा" रहा था।

उन्होंने यह कैसे किया

यह साबित करने के लिए, टीम केवल क्वांटम कंप्यूटर पर निर्भर नहीं रही। उन्होंने तीन अलग-अलग उपकरणों का उपयोग करके जासूसों की तरह काम किया:

क्वांटम एनीलर: उन्होंने 4,000-क्यूबिट वाली मशीन पर प्रयोग चलाया, जिससे भौतिक अनुनाद पैदा हुआ और वास्तविक समय (नैनोसेकंडों में) में बुलबुले को बढ़ते हुए देखा गया।
टेंसर नेटवर्क: उन्होंने क्वांटम गणित के अनुकरण के लिए शक्तिशाली क्लासिकल सुपरकंप्यूटर का उपयोग किया, जिससे पुष्टि हुई कि "बुलेट-लाइक" (गोली जैसी) गति वास्तविक थी और कोई तकनीकी खराबी नहीं थी।
स्टोकेस्टिक सर्किट्स: उन्होंने एक सरल, क्लासिकल कंप्यूटर मॉडल बनाया जो अनुनाद के नियमों की नकल करता था। इस मॉडल ने दिखाया कि जटिल क्वांटम यांत्रिकी के बिना भी, अनुनाद के नियम स्वाभाविक रूप से इस तेज़, खुरदरे विकास की ओर ले जाते हैं।

बड़ी तस्वीर

शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि उन्होंने क्षय (decay) के एक नए "मोड" की खोज की है। आमतौर पर, हम इस बात की चिंता करते हैं कि बुलबुला बनने में कितना समय लगता है (न्यूक्लिएशन)। यह अध्ययन दिखाता है कि एक बार जब एक बुलबुला अनुनादी वातावरण में शुरू हो जाता है, तो विकास स्वयं एक प्रमुख, विस्फोटक शक्ति बन जाता है, जो वैश्विक दबाव के बजाय स्थानीय नियमों द्वारा संचालित होता है।

उन्होंने यह भी नोट किया कि यह व्यवहार इस प्रकार के सिस्टम के लिए प्रकृति का एक "यूनिवर्सल" (सार्वभौमिक) नियम प्रतीत होता है, जिसका अर्थ है कि यह अन्य क्वांटम सामग्रियों और शायद कॉस्मोलॉजी (ब्रह्मांड कैसे अवस्थाएं बदलता है) की अवधारणाओं पर भी लागू हो सकता है, हालांकि शोध पत्र सख्ती से स्वयं क्वांटम सिमुलेशन के भौतिकी पर केंद्रित है।

संक्षेप में: उन्होंने एक क्वांटम सिस्टम में एक "चीट कोड" खोजा है जो एक नए राज्य के बुलबुले को बिजली की गति से बाहर की ओर विस्फोट करने के लिए प्रेरित करता है, जिसका किनारा टेढ़ा-मेढ़ा और फ्रैक्टल होता है, जो यह सिद्ध करता है कि विकास पहले की तुलना में बहुत अधिक तेज़ और जटिल हो सकता है।

समस्या विवरण
मेनी-बॉडी फिजिक्स (many-body physics) में मेटास्टेबल अवस्थाएं, जैसे कि क्वांटम फील्ड थ्योरी और कॉस्मोलॉजी में फॉल्स वैक्यूम (false vacuum), आमतौर पर ट्रू वैक्यूम के स्थानीयकृत बुलबुलों (bubbles) के न्यूक्लिएशन (nucleation) और उनके विस्तार के माध्यम से क्षय होती हैं। पारंपरिक सिद्धांत न्यूक्लिएशन और विकास को अलग-अलग चरणों के रूप में मानता है, जहाँ न्यूक्लिएशन एक दर-सीमित (rate-limiting) चरण होता है जो क्रिटिकल बबल थ्योरी द्वारा नियंत्रित होता है। हालांकि, न्यूक्लिएशन के बाद के विकास (post-nucleation growth) की गतिशीलता, विशेष रूप से दो आयामों (two dimensions) में, अभी भी कम समझ में आई है। विशेष रूप से, यह स्पष्ट नहीं है कि क्या विकास स्वयं एक प्रमुख, गैर-तुच्छ (nontrivial) गतिशील शासन बन सकता है, जो स्मूथ, प्रेशर-ड्रिवन इंटरफेस मोशन के बजाय बबल बाउंड्री पर स्थानीय अनुनाद प्रक्रियाओं (local resonant processes) द्वारा नियंत्रित होता है। यद्यपि वन-डायमेंशनल सिस्टम और विभिन्न प्रयोगात्मक प्लेटफार्मों में फॉल्स वैक्यूम डिके (FVD) का अन्वेषण किया गया है, दो आयामों में अनुनादी फॉल्स-वैक्यूम बुलबुलों के रियल-टाइम विकास का अध्ययन काफी हद तक अनछुआ रहा है।

कार्यप्रणाली
लेखक इस समस्या की जांच एक बड़े पैमाने के प्रोग्रामेबल क्वांटम एनीलर (4000 से अधिक भौतिक क्वबिट्स वाले D-Wave Advantage2 सिस्टम) का उपयोग करके करते हैं, ताकि एक टोरस टोपोलॉजी पर टू-डायमेंशनल मिक्स्ड-फील्ड क्वांटम आइसिंग मॉडल को साकार किया जा सके। मॉडल को इस हैमिल्टोनियन (Hamiltonian) द्वारा परिभाषित किया गया है:
$\hat{H} = -J \sum_{\langle i,j \rangle} \hat{\sigma}^z_i \hat{\sigma}^z_j - h_x \sum_i \hat{\sigma}^x_i - h_z \sum_i \hat{\sigma}^z_i$
जहाँ $J \gg h_x$ है। सिस्टम को एक मेटास्टेबल "फॉल्स वैक्यूम" अवस्था (सभी स्पिन अप) में तैयार किया जाता है, जिसमें केंद्र में एक एकल "सीड" (seed) स्पिन को "ट्रू वैक्यूम" अवस्था (डाउन) में बदल दिया जाता है।

अध्ययन तीन पूरक दृष्टिकोणों का उपयोग करता है:

क्वांटम सिमुलेशन: रिवर्स-एनीलिंग प्रोटोकॉल का उपयोग करके, लेखक समय-निर्भर ट्रांसवर्स फील्ड $h_x(t)$ और लॉन्गिट्यूडिनल फील्ड $h_z(t)$ को नियंत्रित करते हैं। वे विशेष रूप से $h_z$ को रेजोनेंस कंडीशन $|h_z| = 2J$ के लिए ट्यून करते हैं। इस मान पर, मौजूदा ट्रू-वैक्यूम बबल की सीमा पर सिंगल-स्पिन फ्लिप ऊर्जा-संरक्षण (energy-conserving) हो जाते हैं (अनुनादी होते हैं), जिससे काइनेटिकली कंस्ट्रेंड एक्सपेंशन संभव होता है।
टेंसर-नेटवर्क सिमुलेशन: एंटैंगलमेंट और शुरुआती समय के क्वांटम प्रभावों को कैप्चर करने और सत्यापित करने के लिए छोटे सिस्टम ( $16 \times 16$ स्पिन) के पूर्ण क्वांटम डायनेमिक्स को सिम्युलेट करने के लिए ट्री टेंसर नेटवर्क (TTNs) का उपयोग किया जाता है।
स्टोकेस्टिक सर्किट (SC) मॉडलिंग: सैकड़ों हजारों स्पिन वाले बहुत बड़े सिस्टम के दीर्घकालिक डायनेमिक्स को सिम्युलेट करने के लिए एक प्रभावी क्लासिकल स्टोकेस्टिक मॉडल विकसित किया गया है। यह मॉडल स्पिन फ्लिप पर स्थानीय रेजोनेंस कंडीशन को एक बाधा (constraint) के रूप में लागू करता है, जिससे विस्तारित समयसीमा पर बबल ग्रोथ का सांख्यिकीय विश्लेषण संभव होता है।

प्रमुख योगदान और परिणाम

रेजोनेंट ग्रोथ रिजीम: लेखक एक विशिष्ट शासन की पहचान करते हैं जहाँ एक ट्रू-वैक्यूम डोमेन का विकास स्वतःस्फूर्त न्यूक्लिएशन की तुलना में लगभग तीन आदेशों (three orders of magnitude) से अधिक तेज होता है। रेजोनेंस $|h_z| = 2J$ पर, दो अतिरिक्त डोमेन वॉल बनाने की ऊर्जा लागत, सिंगल स्पिन को फ्लिप करने से प्राप्त लॉन्गिट्यूडिनल फील्ड ऊर्जा लाभ द्वारा ठीक से संतुलित हो जाती है। यह विकास प्रक्रिया को $h_x$ में एक फर्स्ट-ऑर्डर प्रभाव बनाता है, जबकि नए बुलबुलों का स्वतःस्फूर्त न्यूक्लिएशन एक उच्च-क्रम (fourth-order) की प्रक्रिया बनी रहती है।
बैलिस्टिक एक्सपेंशन: प्रयोगात्मक डेटा और सिमुलेशन प्रकट करते हैं कि सीडेड बबल लगभग बैलिस्टिक डायनेमिक्स के साथ फैलता है। प्रसार फ्रंट (propagation front) एक लाइट-कोन संरचना का पालन करता है जिसका एक्सपोनेंट $p \approx 1$ है (जहाँ त्रिज्या $r \sim \tau^p$ ), जो यह दर्शाता है कि इंटरफेस रेजोनेंस द्वारा निर्धारित एक स्थिर वेग से चलता है।
KPZ इंटरफेस ब्रोडनिंग: हालांकि विस्तार बैलिस्टिक है, इंटरफेस कठोर (rigid) नहीं है। अध्ययन इंटरफेस की चौड़ाई के स्केलिंग का विश्लेषण करके देखता है कि विकास का डायनेमिक्स कार्डर-पैरिसिस-ज़ुबिक (Kardar–Parisi–Zhang - KPZ) यूनिवर्सलिटी क्लास से संबंधित है, जिसका विशेषता स्केलिंग एक्सपोनेंट $2/3$ है। यह क्वांटम सिमुलेशन, TTN गणनाओं और स्टोकेस्टिक सर्किट मॉडल में भी सत्य है।
क्वांटम कोहेरेंस: लेखक साक्ष्य प्रदान करते हैं कि देखे गए डायनेमिक्स वास्तव में क्वांटम हैं। अनुनादी शासन में बिताया गया समय (दहाई नैनोसेकंड) कोहेरेंट ऑपरेशन टाइमस्केल्स के अनुरूप है। इसके अलावा, देखा गया मैग्नेटाइजेशन $M(t) \sim h_x^2 \tau$ का स्केलिंग क्वांटम रेजोनेंस की प्रकृति से उत्पन्न होता है ( $\delta h_z \propto h_x$ ), जो एक ऐसी विशेषता है जिसे TTNs द्वारा पुनरुत्पादित किया गया है लेकिन यह क्लासिकल थर्मल एक्टिवेशन से भिन्न है।
इमर्जेंट आइसोट्रॉपी: $D_4$ सिमेट्री के बावजूद, औसत बबल ग्रोथ उल्लेखनीय गोलाकार अपरिवर्तनीयता (spherical invariance) प्रदर्शित करता है, जो यह सुझाव देता है कि स्थानीय रेजोनेंस नियम एक इमर्जेंट आइसोट्रोपिक प्रोपेगेशन की ओर ले जाते हैं।

महत्व
यह शोध पत्र फॉल्स वैक्यूम डिके के एक "ग्रोथ-डोमिनेटेड" शासन को स्थापित करता है जहाँ ट्रू-वैक्यूम डोमेन का विस्तार मानक सेमीक्लासिकल न्यूक्लिएशन-एंड-ग्रोथ प्रतिमान के बजाय स्थानीय अनुनादी प्रक्रियाओं द्वारा नियंत्रित होता है। परिणाम प्रदर्शित करते हैं कि बड़े पैमाने का क्वांटम सिमुलेशन उन नॉन-इक्विलिब्रियम मेटास्टेबल डायनेमिक्स तक पहुंच सकता है जो क्वांटम फील्ड थ्योरी और कॉस्मोलॉजी के लिए प्रासंगिक हैं। विशेष रूप से, यह कार्य दिखाता है कि प्रोग्रामेबल क्वांटम हार्डवेयर विशिष्ट पोस्ट-न्यूक्लिएशन ग्रोथ चैनलों को अलग और अध्ययन कर सकता है, जिससे पता चलता है कि ऐसे विकास के एसिम्प्टोटिक सांख्यिकीय गुण (बैलिस्टिक एक्सपेंशन के साथ KPZ ब्रोडनिंग) को प्रभावी क्लासिकल मॉडल द्वारा कैप्चर किया जा सकता है, भले ही अंतर्निहित सूक्ष्म (microscopic) डायनेमिक्स पर्याप्त एंटैंगलमेंट उत्पन्न करते हों। यह सुझाव देता है कि अनुनादी बबल ग्रोथ का बड़े पैमाने का सांख्यिकीय व्यवहार सूक्ष्म क्वांटम विवरणों के प्रति मजबूत (robust) हो सकता है, जबकि यह वर्तमान क्लासिकल न्यूमेरिकल मेथड्स की पहुंच से बाहर जटिल मेनी-बॉडी डायनेमिक्स का पता लगाने के लिए प्रोग्रामेबल क्वांटम हार्डवेयर की क्षमता को भी उजागर करता है।

"रेजोनेंट" शॉर्टकट (अनुनाद का छोटा रास्ता)

परिणाम: एक बिजली जैसी तेज़ विस्फोट

विकास का आकार

उन्होंने यह कैसे किया

बड़ी तस्वीर

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