Физики смоделировали распад ложного вакуума: коллапс Вселенной воссоздан в кольце из 16 атомов

В современной квантовой теории поля концепция абсолютно пустого пространства не применяется. То, что принято называть вакуумом, физики рассматривают как базовое состояние квантового поля, обладающее наименьшей возможной энергией. Однако квантовая система может иметь несколько локальных минимумов энергии. Если система находится в локальном минимуме, который не является самым низким из всех возможных, такое состояние классифицируется как «ложный вакуум».

Физика допускает переход системы из ложного вакуума в глобальный минимум — «истинный вакуум». В классической механике для подобного перехода потребовалось бы поступление энергии извне. В квантовой механике система способна преодолеть энергетический барьер самостоятельно за счет эффекта квантового туннелирования. Этот процесс не происходит мгновенно по всему объему. Переход начинается с локальных флуктуаций: в пространстве формируются микроскопические области истинного вакуума. Этот механизм называется нуклеацией пузырей.

Наблюдать распад метастабильного вакуума в астрофизических или космологических масштабах невозможно. Чтобы изучить эту динамику экспериментально, объединенная группа исследователей из Университета Цинхуа, Оксфордского университета и ряда других научных институтов создала управляемую физическую модель этого процесса на лабораторном столе. Для этого они использовали программируемый квантовый симулятор на базе нейтральных атомов.

Архитектура оптического симулятора

Основой экспериментальной установки стало кольцо из шестнадцати (а в некоторых этапах эксперимента — двадцати четырех) атомов изотопа рубидий-87. Атомы были помещены в изолированную камеру и зафиксированы в пространстве с помощью оптических пинцетов. Оптический пинцет представляет собой строго сфокусированный лазерный луч, электромагнитное поле которого удерживает нейтральную микрочастицу в заданной точке. Расстояние между соседними атомами в кольце составляло несколько микрометров.

В этом эксперименте каждый атом выполнял роль двухуровневой квантовой системы, или кубита. Атом мог находиться в одном из двух состояний. Первое — это базовое состояние с минимальной энергией. Второе — высокоэнергетическое ридберговское состояние. В ридберговском состоянии один из электронов атома переводится на орбиту, находящуюся на экстремально большом удалении от ядра. Из-за этого размер атома многократно увеличивается, и он начинает активно взаимодействовать с соседними частицами.

Когда один из атомов в кольце переходит в ридберговское состояние, между ним и соседними атомами возникают мощные силы Ван-дер-Ваальса. Это взаимодействие носит антиферромагнитный характер: оно делает энергетически невыгодным одновременное нахождение двух соседних атомов в возбужденном состоянии. В результате система естественным образом стремится принять конфигурацию, при которой базовое и возбужденное состояния атомов строго чередуются на всем протяжении кольца.

Нарушение симметрии и создание вакуумных состояний

В идеальной кольцевой структуре существуют ровно две возможные конфигурации со строгим чередованием состояний атомов (неелевские состояния). По умолчанию они обладают абсолютно одинаковой энергией. Чтобы запустить процесс распада, исследователям потребовалось искусственно нарушить эту энергетическую симметрию.

Для этого физики применили дополнительную систему лазеров. Лучи были направлены не на все кольцо, а исключительно на каждый второй атом в цепи (только на четные или только на нечетные позиции). Излучение этих лазеров создавало локальный эффект Штарка, который смещал энергетические уровни облучаемых атомов.

В результате энергетический баланс системы изменился. Одна из двух чередующихся конфигураций получила небольшое энергетическое преимущество — ее суммарная энергия стала ниже. Эта конфигурация была определена как истинный вакуум. Вторая конфигурация, чья энергия оказалась выше, стала физическим воплощением ложного вакуума. Возникла разность потенциалов, необходимая для запуска квантового туннелирования.

Проблема резкой инициализации

Первоначальная задача эксперимента заключалась в измерении скорости распада созданного ложного вакуума. На первом этапе исследователи использовали метод мгновенной инициализации. Они приводили атомное кольцо в конфигурацию ложного вакуума и резко включали параметры глобальных лазеров, отвечающих за динамику переходов.

Данные, полученные при таком подходе, оказались трудно интерпретируемыми. График разрушения ложного вакуума не демонстрировал плавного спада. Вместо этого сигнал был насыщен высокочастотными колебаниями — квантовыми осцилляциями. Механика этого явления объясняется просто: при мгновенном изменении параметров система получает своеобразный кинетический удар. Возникает обширная квантовая суперпозиция из множества различных состояний, которая полностью маскирует базовый экспоненциальный процесс распада. Физикам стало понятно, что прямолинейный метод инициализации не позволяет наблюдать чистую динамику вакуума.

Метод адиабатической подготовки

Чтобы устранить квантовый шум, исследователи изменили протокол подготовки. Они отказались от резкого переключения лазеров в пользу адиабатического процесса. Адиабатическая подготовка подразумевает крайне медленное, плавное изменение физических параметров системы.

В новом протоколе атомы сначала устанавливались в изначальное чередующееся состояние без дополнительных смещений. Затем физики плавно увеличивали мощность лазеров, генерирующих магнитное поле. Благодаря медленному изменению, система успевала непрерывно перестраиваться, оставаясь в так называемом метастабильном состоянии, не накапливая избыточную энергию и не генерируя паразитные колебания.

Результат изменения протокола оказался радикальным. Метастабильное состояние начало распадаться предсказуемо и стабильно. Измеренный график перехода из ложного вакуума в истинный продемонстрировал четкую экспоненциальную зависимость. Полученная скорость туннелирования с высокой точностью совпала с фундаментальными математическими расчетами квантовой теории поля, предсказанными для одномерных физических цепей. Это доказало, что точность квантового туннелирования напрямую зависит от стабильности начального состояния системы.

Резонансная нуклеация в дискретной среде

В ходе эксперимента было выявлено важное отличие распада вакуума в атомном кольце от гипотетического распада в космическом пространстве. Непрерывное поле позволяет возникшему пузырю истинного вакуума свободно расширяться во всех направлениях. Кольцо из атомов рубидия имеет дискретную структуру — оно состоит из отдельных, четко локализованных элементов.

Эта дискретность накладывает жесткие ограничения на рост областей истинного вакуума. Согласно закону сохранения энергии в унитарной эволюции, пузырь истинного вакуума внутри атомной цепи не может расширяться бесконечно. Любое изменение состояния атома требует энергетических затрат на формирование новых границ между истинным и ложным вакуумом. Рост пузыря возможен только тогда, когда энергия, высвобождаемая при переходе дополнительных атомов в новое состояние, строго равна энергии, необходимой для поддержания границ раздела.

Из-за дискретного спектра энергий такое равенство возникает не всегда, а лишь при строго определенных конфигурациях магнитных полей. Исследователи назвали этот процесс резонансной нуклеацией. Прицельно меняя мощность лазеров, физики фиксировали формирование пузырей строго определенной длины. Система массово генерировала последовательности истинного вакуума длиной ровно в один, два или три атома. Переходы промежуточных форматов практически полностью блокировались законами сохранения.

Перспективы технологии

Выполненная работа демонстрирует высокий потенциал массивов нейтральных ридберговских атомов для проведения фундаментальных физических исследований. Ученым удалось не просто доказать возможность моделирования вакуумных переходов, но и разработать надежный метод очистки квантового сигнала от фоновых осцилляций с помощью адиабатического контроля.

Успешная симуляция ложного вакуума в одномерной цепи открывает возможность для проектирования более сложных экспериментов. В перспективе аналогичные методы позволят изучать динамику квантового туннелирования в сложных двумерных решетках, моделировать многочастичные квантовые системы с дальнодействующими взаимодействиями и исследовать физические процессы, расчет которых недоступен даже для самых мощных современных суперкомпьютеров. Постепенный контроль над поведением единичных атомов переводит изучение неэквилибрированных квантовых процессов из области теоретической математики в плоскость прямого экспериментального наблюдения.

Источник:arXiv