Resonant false vacuum decay in two dimensions on a 4000-qubit quantum annealer
研究人员利用一台4000比特的量子退火机模拟二维量子伊辛模型，展示了一种独特的假真空衰变机制，其中局部共振条件使得动力学受限且近乎弹性的畴生长速度超过了成核速度，从而揭示了非平衡态亚稳态动力学中的Kardar-Parisi-Zhang普适性。
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在广袤无垠的宇宙景观中，从恒星的诞生到奇异材料的行为，存在着一种被称为“假真空”的奇特存在状态。想象一个球停留在山坡上的一个浅洼处。它足够稳定，可以长时间停留在那里，但它并未处于山谷的最底部。如果给予足够的时间或足够大的推力，球最终会滚出这个洼地，跌落到真正的谷底，并在过程中释放能量。在量子世界中，这就是亚稳态衰变的方式：一个系统处于一个临时的、较高能量的构型中，直到一次涨落触发向低能量、稳定状态的转变。这种被称为假真空衰变的过程，被认为塑造了早期宇宙，并支配着物质本身的稳定性。传统上，科学家认为这种转变发生在两个截然不同的步骤中：首先，通过一次罕见的涨落，一个微小的、新稳定态的泡泡会随机出现；其次，那个泡泡会扩张以吞噬旧的状态。几十年来，研究重点几乎完全集中在困难的第一步——泡泡的诞生——而随后的增长则被假定为一种简单的、由压力驱动的扩张。
现在，一支研究团队利用一台大型量子机器，探索了当第二步成为故事中主导且最复杂的部分时会发生什么。通过使用一个包含超过4,000个量子比特的量子退火器，科学家们创建了一个模拟磁性材料行为的二维量子自旋网格。他们将系统准备在一种亚稳态（本质上是一个假真空）中，然后引入一个单一的缺陷作为产生新稳定泡泡的种子。通过仔细调节作用于系统的磁场，他们发现了一种特定条件，在这种条件下，泡泡的增长不再是缓慢、稳步的行进。相反，由于一种局部共振的存在，扩张变得极其迅速，使得泡泡能够以惊人的效率在材料中蔓延。
实验揭示了一个这样的机制：在该机制下，真真空畴的增长速度比自发产生新泡泡的速度快约一千倍。这是因为研究人员将系统调节到了一个点，即翻转泡泡边缘的一个自旋不需要消耗能量。在这种共振状态下，泡泡的边界可以快速推进，以一种看起来像分支分形树的模式向外扩散。研究人员实时观察到了这种增长，看着泡泡在量子处理器上扩张。这种扩张几乎是弹道式的，这意味着泡泡的边缘以恒定的高速移动，就像在太空中飞行的投影物一样。然而，边缘并非完美锐利或刚性的。随着泡泡的生长，其边界变得略显模糊和不规则，研究小组发现这一现象遵循一种被称为Kardar-Parisi-Zhang普适类的特定数学模式。该模式描述了界面（如生长中的晶体表面或扩散的液体）如何随时间以可预测的方式变得粗糙。
为了确认他们在量子机器上观察到的现象是真实的而非硬件故障，研究人员将实验数据与先进的计算机模拟相结合。他们使用张量网络技术来模拟较小系统的量子行为，并使用随机电路模型来模拟更大系统中泡泡的统计增长。两种方法都与实验结果一致：泡泡呈弹道式增长，且其界面展宽方式符合预测的普适标度律。研究表明，这一过程的核心物理机制不在于初始种子的形成，而在于随后的共振扩张。研究人员发现，尽管底层的量子动力学产生了显著的纠缠，但生长中泡泡的大尺度统计行为却出奇地简单且稳健。
这项工作为我们了解亚稳态如何衰变开启了一扇新的窗口，表明在特定条件下，增长阶段可以成为过程的主要驱动力，完全掩盖掉成核阶段。研究结果挑战了传统的观点，即假真空衰变总是缓慢的、受成核限制的事件。相反，它们证明了局部共振条件可以触发一种快速的、由增长主导的机制，并且这种机制在当前的量子硬件上是可及且可控的。虽然实验是在特定的量子模型上进行的，但所揭示的原理可能对理解量子材料中的相变甚至关于早期宇宙的理论具有更广泛的影响。该研究确立了大型量子模拟器现在可以用来探测这些非平衡动力学，并达到此前无法实现的细节水平，从而提供了一个受控平台，用于测试连接量子场论、宇宙学和强关联物质物理学的思想。
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