Investigadors de tres països europeus han publicat un estudi en què afirmen haver obtingut informació valuosa sobre la desintegració del fals buit, un procés vinculat a l’origen del cosmos i al comportament de les partícules a escales molt petites.
Segons els científics de la Universitat de Leeds (Regne Unit), l’Institut de Ciència i Tecnologia d’Àustria (ISTA) i el Centre de Supercomputació de Jülich (Alemanya), aquesta primera simulació és un pas endavant en la comprensió de la dinàmica quàntica. Entendre la física fonamental de l’univers és complex, per la seva immensitat, però la computació quàntica pot ajudar a desxifrar les lleis que el regeixen.
En aquest sentit, l’autor principal de l’estudi, Zlatko Papic, catedràtic de Física Teòrica a Leeds, assenyala que aquest tipus d’experiments controlats són importants per comprendre l’estructura i els processos de l’univers, i així determinar-ne les escales temporals.
«És emocionant comptar amb aquestes noves eines que podrien servir com a laboratori pràctic per comprendre els processos dinàmics fonamentals de l’univers», indica Papic.
Els investigadors dels tres centres van utilitzar un sistema amb 5.564 cúbits —els components bàsics de la computació quàntica— per imitar les propietats d’un univers metaestable i analitzar com variaven aquestes dins un model unidimensional.
L’experiment es va dur a terme gràcies a un annealer quàntic, una màquina desenvolupada per D-Wave Quantum per resoldre problemes complexos d’optimització. Tot i que empra milers de cúbits, no es considera un ordinador quàntic universal: és un dispositiu especialitzat l’arquitectura del qual està dissenyada per a trobar solucions òptimes dins d’espais de possibilitat molt grans.
L’equip es va proposar estudiar un model senzill de l’univers, ateses les limitacions tècniques de la computació quàntica.
«Intentem desenvolupar sistemes que ens permetin fer experiments senzills per estudiar aquestes qüestions. L’ús de l’annealer ens permet observar-les en temps real i, d’aquesta manera, podem veure realment què està passant», explica Papic.
D’altra banda, «aprofitar les capacitats de la quàntica ha permès al nostre equip obrir la porta a l’estudi de sistemes quàntics fora de l’equilibri i a les transicions de fase, que d’una altra manera serien difícils d’explorar amb els mètodes informàtics tradicionals», apunta Jaka Vodeb, del Centre de Supercomputació de Jülich.
Fa aproximadament cinquanta anys es va proposar un model en la teoria quàntica de camps segons el qual el cosmos podria estar contingut en un fals buit. Això suposaria que, tot i aparentar estabilitat, la seva energia podria decaure i transitar cap a una fase estable definitiva.
En física es coneix aquesta fase com la metaestabilitat, i durant la transició a l’estat final, els experts apunten que l’estructura de l’univers patiria un canvi catastròfic. Predir quan succeirà és complex, però es creu que probablement tindrà lloc en un període astronòmicament llarg, de milions d’anys.
El model simula un univers en fals buit, on bombolles que es formen i interactuen provoquen el final d’aquesta aparent estabilitat.
L’estructura del model es basa en la interacció de bombolles, semblants a les que es formen en el vapor d’aigua refredat per sota del seu punt de condensació. La seva formació i propagació serien el detonant que trencaria aquest estat de fals buit, o sigui, de falsa estabilitat.
Ara, la simulació quàntica ha permès als científics observar la intrincada ‘dansa’ de les bombolles en temps real. Les observacions van revelar que la dinàmica no consisteix en esdeveniments aïllats, sinó en interaccions complexes, incloent-hi com les bombolles més petites poden influir en les més grans.
Els resultats s’han publicat a la revista Nature Physics, on l’equip afirma que les seves troballes ofereixen noves perspectives sobre com haurien pogut tenir lloc aquestes transicions poc després del Big Bang.
L’estudi s’ha dut a terme amb un model simple d’un univers unidimensional. Per arribar a les tres dimensions serien necessàries moltes més extensions quàntiques que encara no són disponibles. A més, el Model Estàndard universal és més complex i involucra partícules i camps de gauge que no són presents en el model de metaestabilitat.
«Els dispositius quàntics no simulen directament l’univers, sinó només el seu model simplificat, que pot ser descrit en termes de cúbits i portes quàntiques que operen sobre ells. Aquests models han de ser prou simples per poder-se codificar eficientment en termes de cúbits», assenyala Zlatko Papic, a SINC.
La nostra simulació reprodueix un model bàsic, un “toy model”, però permet observar fenòmens impossibles d’estudiar directament en l’univers real per les escales de temps astronòmiques implicades.
Zlatko Papic, cap de l’estudi (Universitat de Leeds)
En aquest sentit, Papic explica: «La nostra simulació es basa en un model molt bàsic, allò que en física anomenem un toy model —una representació simplificada que no reprodueix l’univers real, però permet estudiar dinàmiques essencials de manera controlada. Aquests experiments no són possibles en l’univers real a causa de les escales astronòmiques que impliquen».
L’investigador subratlla que «les simulacions quàntiques per al Model Estàndard són molt més difícils, una qüestió pendent per a futurs treballs que, amb sort, tindran implicacions més directes en les teories ‘veritables’ que regeixen el nostre univers».
Tanmateix, els autors opinen que les seves troballes demostren que comprendre l’origen i el destí de l’univers no sempre requereix experiments multimilionaris en instal·lacions especialitzades d’alta energia, com el Gran Col·lisionador d’Hadrons (LHC) del CERN.
«Aquest tipus d’experiments i els que fa el CERN són definitivament complementaris, ja que tenen objectius i abasts molt diferents. Això també es reflecteix en el terme “simulació quàntica”, que implica que s’enfoquen en un model simplificat de fenòmens físics, en lloc de la realitat física mateixa», conclou Papic.
Les simulacions quàntiques poden ajudar a comprendre millor l’estructura i l’evolució de l’univers. Els fenòmens cosmologics es desenvolupen al llarg d’escales de temps astronòmiques —de milers de milions d’anys— i només es poden observar.
No obstant això, afegeix Papic, «les simulacions quàntiques permeten manipular directament el sistema sota estudi, per exemple, investigar què passa si s’ajusten lleugerament certs paràmetres, així com induir dinàmiques que podrien no ocórrer en circumstàncies normals».
Aquest estudi també ajuda a millorar l’eficiència de la tecnologia quàntica, per exemple, en la gestió d’errors o en la realització de càlculs complexos.
Segons els autors, les implicacions pràctiques d’aquest estudi també inclouen la millora de l’eficiència d’aquesta tecnologia, per exemple, en la gestió d’errors o en la resolució de càlculs complexos.
A més, destaquen que el potencial dels ordinadors quàntics es podria estendre a altres disciplines fora de la física teòrica.
«Aquests avenços no només amplien els límits del coneixement científic, sinó que també obren el camí a futures tecnologies que podrien revolucionar camps com la criptografia, la ciència de materials o la informàtica eficient energèticament», conclou Vodeb.
Referència:
Papic, Z. et al. “Stirring the false vacuum via interacting quantized bubbles on a 5,564-qubit quantum annealer”. Nature Physics (2025)