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

एक 4000-क्विबिट क्वांटम एनीलर का उपयोग करके दो-आयामी क्वांटम आइसिंग मॉडल का अनुकरण करते हुए, शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट फॉल्स वैक्यूम डिके (false vacuum decay) शासन प्रदर्शित किया जहाँ स्थानीय अनुनाद स्थितियाँ न्यूक्लिएशन से अधिक तीव्र, गतिज रूप से बाधित, लगभग बैलिस्टिक डोमेन विकास को सक्षम करती हैं, जो नॉन-इक्विलिब्रियम मेटास्टेबल डायनेमिक्स में कार्दार-पारीसी-ज़िग (Kardar-Parisi-Zhang) सार्वभौमिकता को प्रकट करता है।

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

प्रकाशित 2026-08-26

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CC BY 4.0

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

मूल पेपर CC BY 4.0 (https://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

ब्रह्मांड के विशाल परिदृश्य में, तारों के जन्म से लेकर विलक्षण पदार्थों के व्यवहार तक, 'फॉल्स वैक्यूम' (मिथ्या निर्वात) के रूप में ज्ञात एक विचित्र अवस्था मौजूद है। एक पहाड़ी की ढलान पर एक उथले गड्ढे में रखे हुए गेंद की कल्पना करें। यह वहां लंबे समय तक रहने के लिए पर्याप्त स्थिर है, लेकिन यह घाटी के बिल्कुल निचले हिस्से में नहीं है। यदि पर्याप्त समय या पर्याप्त शक्तिशाली धक्का मिले, तो गेंद अंततः उस गड्ढे से बाहर निकल जाएगी और वास्तविक निचले स्तर तक लुढ़क जाएगी, और इस प्रक्रिया में ऊर्जा मुक्त करेगी। क्वांटम दुनिया में, एक मेटास्टेबल (अस्थिरता की स्थिति) अवस्था इसी तरह क्षय होती है: एक प्रणाली एक अस्थायी, उच्च-ऊर्जा विन्यास में तब तक टिकी रहती है जब तक कि एक उतार-चढ़ाव (फ्लक्चुएशन) उसे निम्न-ऊर्जा, स्थिर अवस्था की ओर संक्रमण के लिए प्रेरित नहीं कर देता। इस प्रक्रिया को 'फॉल्स वैक्यूम डिके' (मिथ्या निर्वात क्षय) कहा जाता है, जिसके बारे में माना जाता है कि इसने प्रारंभिक ब्रह्मांड को आकार दिया और स्वयं पदार्थ की स्थिरता को नियंत्रित करती है। पारंपरिक रूप से, वैज्ञानिकों का मानना था कि यह संक्रमण दो अलग-अलग चरणों में होता है: पहले, एक दुर्लभ उतार-चढ़ाव के माध्यम से नई, स्थिर अवस्था का एक छोटा सा बुलबुला अचानक प्रकट होता है, और दूसरा, वह बुलबुला पुराने राज्य को समाप्त करने के लिए फैलता है। दशकों तक, ध्यान लगभग पूरी तरह से पहले कठिन चरण—बुलबुले के जन्म—पर केंद्रित रहा, जबकि बाद के विस्तार को एक सीधा, दबाव-चालित विस्तार माना जाता था।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक विशाल क्वांटम मशीन का उपयोग करके यह पता लगाया है कि क्या होता है जब यह दूसरा चरण कहानी का सबसे प्रमुख और जटिल हिस्सा बन जाता है। 4,000 से अधिक क्यूबिट्स वाले एक क्वांटम एनीलर के साथ काम करते हुए, वैज्ञानिकों ने क्वांटम स्पिन का एक द्वि-आयामी ग्रिड बनाया जो एक चुंबकीय सामग्री के व्यवहार की नकल करता है। उन्होंने सिस्टम को एक मेटास्टेबल अवस्था में तैयार किया, जो अनिवार्य रूप से एक फॉल्स वैक्यूम है, और फिर एक नए, स्थिर बुलबुले के बीज के रूप में कार्य करने के लिए एक एकल दोष (डिफेक्ट) पेश किया। सिस्टम पर कार्य करने वाले चुंबकीय क्षेत्रों को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, उन्होंने एक विशिष्ट स्थिति की खोज की जहाँ इस बुलबुले का विकास अब एक धीमी, निरंतर चाल नहीं रह जाता है। इसके बजाय, विस्तार अविश्वसनीय रूप से तेज़ हो जाता है, जो एक स्थानीय अनुनाद (रेजोनेंस) द्वारा संचालित होता है जो बुलबुले को आश्चर्यजनक दक्षता के साथ सामग्री में फैलने की अनुमति देता है।

प्रयोग ने एक ऐसा क्षेत्र प्रकट किया जहाँ वास्तविक-निर्वात डोमेन का विकास नए बुलबुलों के स्वतः निर्माण की तुलना में लगभग एक हजार गुना अधिक तीव्र है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि शोधकर्ताओं ने सिस्टम को एक ऐसे बिंदु पर ट्यून किया जहाँ बुलबुले के किनारे पर एक एकल स्पिन को पलटने (फ्लिप करने) के लिए कोई ऊर्जा खर्च नहीं होती है। इस अनुनादी अवस्था में, बुलबुले का किनारा तेजी से आगे बढ़ सकता है, जो एक शाखाओं वाले, फ्रैक्टल पेड़ की तरह फैलने वाले पैटर्न में बाहर की ओर फैलता है। शोधकर्ताओं ने वास्तविक समय में इस विकास को देखा, क्वांटम प्रोसेसर के माध्यम से बुलबुले को फैलते हुए देखा। यह विस्तार लगभग 'बैलिस्टिक' था, जिसका अर्थ है कि बुलबुले का किनारा एक स्थिर, उच्च गति से चला, ठीक वैसे ही जैसे अंतरिक्ष में उड़ने वाला एक प्रक्षेपास्त्र (प्रोजेक्टाइल)। हालाँकि, किनारा पूरी तरह से तीक्ष्ण या कठोर नहीं था। जैसे-जैसे बुलबुला बढ़ा, इसकी सीमा थोड़ी धुंधली और अनियमित हो गई, एक ऐसी घटना जिसे टीम ने 'कार्डर-पारीसी-जेनरिक' (Kardar-Parisi-Zhang) सार्वभौमिकता वर्ग के रूप में ज्ञात एक विशिष्ट गणितीय पैटर्न के रूप में पाया। यह पैटर्न बताता है कि कैसे इंटरफेस, जैसे कि बढ़ते क्रिस्टल की सतह या फैलते तरल की सतह, एक अनुमानित तरीके से समय के साथ खुरदरा होता जाता है।

यह पुष्टि करने के लिए कि उन्होंने क्वांटम मशीन पर जो देखा वह वास्तविक था और केवल हार्डवेयर की कोई त्रुटि नहीं थी, शोधकर्ताओं ने अपने प्रयोगात्मक डेटा को उन्नत कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ जोड़ा। उन्होंने छोटे सिस्टम के क्वांटम व्यवहार को मॉडल करने के लिए 'टेंसर नेटवर्क' तकनीक का उपयोग किया और बहुत बड़े सिस्टम में बुलबुलों के सांख्यिकीय विकास को सिम्युलेट करने के लिए एक 'स्टोकेस्टिक सर्किट मॉडल' का उपयोग किया। दोनों विधियों ने प्रयोगात्मक परिणामों के साथ सहमति व्यक्त की: बुलबुला बैलिस्टिक रूप से बढ़ा, और इसका इंटरफेस उस तरह से विस्तृत हुआ जो अनुमानित सार्वभौमिक स्केलिंग नियमों से मेल खाता था। अध्ययन यह सुझाव देता है कि इस प्रक्रिया का आवश्यक भौतिक विज्ञान इसके बीज के प्रारंभिक निर्माण में नहीं, बल्कि उसके बाद होने वाले अनुनादी विस्तार में निहित है। शोधकर्ताओं ने पाया कि भले ही अंतर्निहित क्वांटम गतिकी (डायनेमिक्स) एक महत्वपूर्ण मात्रा में एंटैंगलमेंट उत्पन्न करती है, बढ़ते बुलबुले का बड़े पैमाने पर सांख्यिकीय व्यवहार आश्चर्यजनक रूप से सरल और सुदृढ़ है।

यह कार्य इस बात की ओर एक नया दृष्टिकोण खोलता है कि मेटास्टेबल अवस्थाएँ कैसे क्षय होती हैं, यह दिखाते हुए कि सही परिस्थितियों में, विकास चरण प्रक्रिया का प्राथमिक चालक बन सकता है, जो न्यूक्लिएशन चरण को पूरी तरह से ओझल कर देता है। निष्कर्ष इस मानक दृष्टिकोण को चुनौती देते हैं कि फॉल्स वैकम डिके हमेशा एक धीमी, न्यूक्लिएशन-सीमित घटना होती है। इसके बजाय, वे प्रदर्शित करते हैं कि स्थानीय अनुनाद स्थितियाँ एक तीव्र, विकास-प्रधान शासन को ट्रिगर कर सकती हैं जो वर्तमान क्वांटम हार्डवेयर पर सुलभ और नियंत्रणीय है। हालांकि प्रयोग एक विशिष्ट क्वांटम मॉडल पर किया गया था, उजागर किए गए सिद्धांत क्वांटम सामग्रियों में चरण संक्रमण (फेज ट्रांजिशन) को समझने और यहाँ तक कि प्रारंभिक ब्रह्मांड के बारे में सिद्धांतों के लिए व्यापक निहितार्थ रख सकते हैं। यह अध्ययन स्थापित करता है कि बड़े पैमाने के क्वांटम सिम्युलेटर अब इन नॉन-इक्विलिब्रियम डायनेमिक्स को विवरण के उस स्तर के साथ जांचने के लिए उपयोग किए जा सकते हैं जो पहले असंभव था, जो क्वांटम फील्ड थ्योरी, कॉस्मोलॉजी और स्ट्रॉन्गली कोरिलेटेड मैटर के भौतिकी के बीच के विचारों का परीक्षण करने के लिए एक नियंत्रित मंच प्रदान करता है।

तकनीकी सारांश: 4000-क्यूबिट क्वांटम एनीलर पर दो आयामों में अनुनादी मिथ्या निर्वात क्षय (Resonant False Vacuum Decay)

समस्या विवरण
मिथ्या निर्वात क्षय (False Vacuum Decay - FVD) क्वांटम फील्ड थ्योरी और कॉस्मोलॉजी में एक मौलिक प्रक्रिया है, जहाँ एक मेटास्टेबल अवस्था (metastable state) एक निम्न-ऊर्जा वाली वास्तविक निर्वात (true vacuum) अवस्था में क्रिटिकल बबल के नाभिकीयकरण (nucleation) और उसके बाद के विस्तार के माध्यम से क्षय होती है। पारंपरिक सिद्धांत FVD को दो अलग-अलग चरणों में विभाजित करता है: एक क्रिटिकल बबल का गैर-तुच्छ नाभिकीयकरण (जो उतार-चढ़ाव द्वारा संचालित होता है) और उसके बाद का तुलनात्मक रूप से सरल विस्तार (जो मुक्त-ऊर्जा अंतर द्वारा संचालित होता है)। जबकि एक-आयामी लैटिस (lattice) वास्तविकताओं ने अनुनादी नाभिकीयकरण चैनलों (resonant nucleation channels) को प्रकट किया है, दो आयामों में FVD की गतिशीलता अभी भी कम समझ में आती है। विशेष रूप से, यह स्पष्ट नहीं है कि क्या ऐसा कोई क्षेत्र मौजूद है जहाँ नाभिकीयकरण के बाद का विकास स्वयं एक प्रमुख, गैर-तुच्छ गतिशील प्रक्रिया बन जाता है, जो चिकनी दबाव-चालित गति के बजाय बबल इंटरफेस पर स्थानीय अनुनादी स्थितियों द्वारा नियंत्रित होता है।

कार्यप्रणाली
लेखक इस समस्या की जांच एक बड़े पैमाने के प्रोग्रामेबल क्वांटम एनीलर (D-Wave Advantage2) का उपयोग करके करते हैं, जिसमें दो-आयामी मिश्रित-क्षेत्र क्वांटम आइसिंग मॉडल का अनुकरण करने के लिए 4,000 से अधिक भौतिक क्यूबिट्स हैं:
$\hat{H} = -J \sum_{\langle i,j \rangle} \hat{\sigma}^z_i \hat{\sigma}^z_j - h_x \sum_i \hat{\sigma}^x_i - h_z \sum_i \hat{\sigma}^z_i$
सिस्टम को एक मेटास्टेबल "मिथ्या निर्वात" अवस्था (सभी स्पिन अप) में तैयार किया जाता है, जिसमें एक छोटा ट्रांसवर्स फील्ड $h_x$ होता है। शोधकर्ता समय-निर्भर क्षेत्रों को नियंत्रित करने के लिए एक रिवर्स-एनीलिंग प्रोटोकॉल का उपयोग करते हैं।

मुख्य प्रयोगात्मक और सैद्धांतिक घटक निम्नलिखित हैं:

अनुनाद ट्यूनिंग (Resonance Tuning): अनुदैर्ध्य क्षेत्र (longitudinal field) $h_z$ को एक विशिष्ट अनुनाद स्थिति, $h_z = 2J$ पर ट्यून किया जाता है। इस मान पर, डोमेन वॉल बनाने की ऊर्जा लागत, मौजूदा वास्तविक-निर्वात बबल के किनारे पर एक स्पिन को पलटने से होने वाले ऊर्जा लाभ द्वारा ठीक संतुलित हो जाती है। यह सिंगल-स्पिन फ्लिप को इंटरफेस पर ऊर्जा-संरक्षणकारी (resonant) बनाता है।
सीडेड ग्रोथ (Seeded Growth): स्वतःस्फूर्त नाभिकीयकरण से विकास की गतिशीलता को अलग करने के लिए, प्रयोग लैटिस के केंद्र में एक एकल पलटे हुए स्पिन (एक "सीड") को प्रारंभ करता है। सिस्टम को $h_z = 2J$ अनुनाद के माध्यम से चलाया जाता है।
पूरक मॉडलिंग (Complementary Modeling): क्वांटम सिमुलेशन परिणामों को दो शास्त्रीय दृष्टिकोणों का उपयोग करके मान्य और विस्तारित किया जाता है:
- ट्री टेंसर नेटवर्क (Tree Tensor Networks - TTN): एंटैंगलमेंट और प्रारंभिक-समय के क्वांटम प्रभावों को पकड़ने के लिए छोटे लैटिस ( $16 \times 16$ ) पर पूर्ण क्वांटम गतिशीलता का अनुकरण करने के लिए उपयोग किया जाता है।
- स्टोकेस्टिक सर्किट (Stochastic Circuit - SC) मॉडलिंग: एक शास्त्रीय प्रभावी मॉडल जहाँ स्पिन अनुनाद की स्थिति द्वारा बाधित प्रायिकता के साथ फ्लिप होते हैं। यह बहुत बड़े सिस्टम और लंबे समय तक पहुँचने के लिए बड़े पैमाने पर सिमुलेशन की अनुमति देता है।

मुख्य योगदान और परिणाम
अध्ययन FVD के एक विशिष्ट "विकास-प्रधान" (growth-dominated) शासन की पहचान और लक्षण वर्णन करता है जहाँ वास्तविक-निर्वात डोमेन का विस्तार स्वतःस्फूर्त नाभिकीयकरण की तुलना में लगभग तीन आदेशों की मात्रा (three orders of magnitude) से अधिक तेज होता है।

अनुनादी विकास तंत्र (Resonant Growth Mechanism): $h_z = 2J$ पर, एक चार-स्पिन बबल का नाभिकीयकरण $h_x$ में चतुर्थ-क्रम (fourth-order) की प्रक्रिया है, जबकि एक मौजूदा बबल का विस्तार सिंगल-स्पिन फ्लिप के माध्यम से प्रथम-क्रम (first-order) की प्रक्रिया है। यह पदानुक्रम सुनिश्चित करता है कि एक बार सीड मौजूद होने के बाद, बबल अनुनादी इंटरफेस मूव्स के माध्यम से तेजी से बढ़ता है।
बैलिस्टिक विस्तार (Ballistic Expansion): प्रयोगात्मक डेटा और सिमुलेशन प्रकट करते हैं कि सीडेड बबल लगभग बैलिस्टिक रूप से फैलता है। कोरिलेशन फ्रंट समय के साथ रैखिक रूप से प्रसारित होता है ( $p \approx 1$ ), जो मैग्नेटाइजेशन प्रोफाइल में एक स्पष्ट "लाइट-कोन" संरचना बनाता है।
KPZ इंटरफेस ब्रोडनिंग (KPZ Interface Broadening): जबकि रेडियल विकास बैलिस्टिक है, बबल का इंटरफेस कठोर नहीं है। वेवफ्रंट उप-बैलिस्टिक प्रसार (sub-ballistic broadening) प्रदर्शित करता है। इंटरफेस की चौड़ाई का स्केलिंग विश्लेषण प्रकट करता है कि उतार-चढ़ाव कार्दार-पारीसी-ज़ाबर्ग (Kardar–Parisi–Zhang - KPZ) सार्वभौमिकता वर्ग का पालन करते हैं, जिसमें स्केलिंग घातांक $2/3$ है।
क्वांटम बनाम शास्त्रीय गतिशीलता: TTN सिमुलेशन दिखाते हैं कि यह प्रक्रिया महत्वपूर्ण एंटैंगलमेंट उत्पन्न करती है, जो गतिशीलता की क्वांटम प्रकृति की पुष्टि करती है। हालांकि, स्पर्शोन्मुखी (asymptotic) विकास नियम (बैलिस्टिक विस्तार और KPZ ब्रोडनिंग) शास्त्रीय स्टोकेस्टिक सर्किट मॉडल द्वारा सफलतापूर्वक कैप्चर किए जाते हैं। यह सुझाव देता है कि बड़े पैमाने पर सांख्यिकीय गुण अनुनादी बबल विकास के प्रति मजबूत हैं और कई सूक्ष्म क्वांटम विवरणों के प्रति असंवेदनशील हैं।
स्केलिंग लॉ (Scaling Laws): लेखक एक मैग्नेटाइजेशन प्रोफाइल $M(t) \sim h_x^2 t$ का अवलोकन करते हैं, जो क्वांटम अनुनाद की सीमित चौड़ाई ( $\delta h_z \propto h_x$ ) से उत्पन्न होता है। यह स्केलिंग क्वांटम सिमुलेशन, TTNs और प्रभावी अनुनाद मॉडल में सुसंगत है।

महत्व और दावे
यह शोध मिथ्या निर्वात क्षय के एक नए मार्ग को स्थापित करने का दावा करता है जहाँ स्थानीय अनुनादी प्रक्रियाएं वास्तविक-निर्वात डोमेन के विस्तार को नियंत्रित करती हैं, जो मानक अर्ध-शास्त्रीय प्रतिमान (semiclassical paradigm) से भिन्न है।

प्लेटफ़ॉर्म क्षमता: यह कार्य प्रदर्शित करता है कि बड़े पैमाने के क्वांटम एनीलर क्वांटम फील्ड थ्योरी और कॉस्मोलॉजी के लिए प्रासंगिक गैर-संतुलन मेटास्टेबल गतिशीलता तक पहुँच सकते हैं, जो उन क्षेत्रों की जांच करते हैं जहाँ विकास नाभिकीयकरण पर हावी होता है।
सार्वभौमिकता (Universality): परिणाम एक विकास-प्रधान शासन को उजागर करते हैं जो बैलिस्टिक विस्तार और इंटरफेस ब्रोडनिंग के लिए KPZ सार्वभौमिकता द्वारा चिह्नित है, जो मानक अर्ध-शास्त्रीय सन्निकटन से परे इन घटनाओं का अध्ययन करने के लिए एक नियंत्रित सेटिंग प्रदान करता है।
सीमित दायरा: लेखक स्पष्ट रूप से कहते हैं कि उनके परिणाम एक विशिष्ट पोस्ट-नेक्लिएशन ग्रोथ चैनल को अलग करते हैं। वे यह दावा नहीं करते हैं कि उन्होंने सभी संदर्भों में सामान्य FVD को हल कर दिया है, बल्कि उन्होंने एक विशिष्ट अनुनाद तंत्र की पहचान की है जो, सिद्धांत रूप में, पारंपरिक बबल-वॉल मोशन के साथ प्रतिस्पर्धा कर सकता है। वे नोट करते हैं कि यह निर्धारित करना कि ये तंत्र क्वांटम फील्ड थ्योरी (जहाँ विस्तार आमतौर पर दबाव-चालित होता है) में कैसे लागू होते हैं, आगे के अन्वेषण की आवश्यकता वाला एक खुला प्रश्न बना हुआ है।

संक्षेप में, यह शोध दो-आयामी क्वांटम स्पिन सिस्टम में प्रयोगात्मक और सैद्धांतिक साक्ष्य प्रदान करता है कि अनुनादी स्थितियाँ बबल विकास को नाभिकीयकरण से अलग कर सकती हैं, जिससे एक मजबूत, बैलिस्टिक विस्तार शासन की ओर ले जाता है जो KPZ स्केलिंग द्वारा वर्णित सार्वभौमिक इंटरफेस उतार-चढ़ाव प्रदर्शित करता है।

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