De zeci de ani, una dintre cele mai mari provocări ale fizicii teoretice a fost înțelegerea modului în care legile gravitației se potrivesc în cadrul mecanicii cuantice. Deși relativitatea generală a lui Einstein a revoluționat înțelegerea noastră asupra gravitației la scară largă, ea nu reușește să țină seama de fenomenele la scară cuantică. În același timp, fizica cuantică, care descrie interacțiunile la scara particulelor subatomice, nu reușește să explice gravitația. O teorie cuantică completă a gravitației rămâne încă evazivă. Un nou studiu, publicat în Scientific Reports, avansează considerabil în această căutare. Folosind puterea calculului cuantic, cercetătorii au simulat crearea de particule într-un univers în expansiune, deschizând noi perspective pentru studiul fenomenelor cosmice.
Înainte de a intra în detaliile studiului, este esențial să înțelegem problemele de bază. Gravitația cuantică încearcă să unifice relativitatea generală și mecanica cuantică. Cu toate acestea, încercările de a dezvolta o teorie completă a gravitației cuantice, cum ar fi teoria corzilor sau gravitația cuantică cu bucle, se confruntă cu provocări majore. Un alt mod de a studia interacțiunea dintre gravitație și mecanica cuantică este teoria câmpului cuantic pentru spațiu-timp curbat (Quantum Field Theory in Curved Spacetime, QFTCS).
QFTCS se bazează pe o abordare semi-clasică, în care spațiu-timpul este considerat ca fundal clasic (urmând principiile relativității generale), în timp ce materia și câmpurile de forță sunt tratate într-o manieră cuantică. Această abordare permite modelarea fenomenelor cuantice în spațiu-timp curbat fără a necesita o teorie completă a gravitației cuantice. QFTCS a făcut posibilă prezicerea unor fenomene precum radiația Hawking din găurile negre și crearea de particule în spațiu-timp în expansiune. Validarea experimentală a acestor predicții s-a dovedit dificilă. Așadar, cercetătorii au explorat diferite tehnici pentru a testa aceste teorii, inclusiv condensate Bose-Einstein și alte simulări analogice. Simulările digitale cuantice nu fuseseră încă exploatate pe deplin până la acest nou studiu.
Simularea unor astfel de fenomene cosmice complexe necesită instrumente puternice. Calculatoarele cuantice, datorită capacității lor de a procesa informații într-un mod complet diferit de calculatoarele clasice, reprezintă un progres major în acest domeniu. Un computer cuantic se bazează pe qubiți care pot exista în mai multe stări simultan datorită fenomenului de suprapunere, spre deosebire de biții clasici care pot fi doar în una sau alta dintre cele două stări. Această caracteristică permite calculatoarelor cuantice să efectueze calcule care altfel ar fi inaccesibile mașinilor clasice.
În noul studiu s-a folosit un procesor cuantic IBM, procesorul Eagle de 127 de qubiți. Cu toate acestea, calculatoarele cuantice actuale sunt încă într-o fază de dezvoltare numită NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum), caracterizată de calculatoare cu un număr limitat de qubiți și supuse erorilor din cauza zgomotului cuantic. Aceste erori sunt una dintre limitările majore ale calculatoarelor cuantice de astăzi, ceea ce face dificilă utilizarea lor pentru calcule fiabile. În loc să încerce să corecteze aceste erori, cercetătorii au optat pentru o abordare mai pragmatică: atenuarea erorilor. Această tehnică presupune înțelegerea modului în care erorile influențează evoluția sistemului și compensarea acestora prin ajustarea rezultatelor. Această abordare inovatoare a îmbunătățit fidelitatea simulărilor, făcând posibile calculele complexe necesare pentru a simula crearea de particule.
Apariția particulelor într-un Univers în expansiune este un fenomen central în cosmologie. Conform teoriilor actuale, în primele fracțiuni de secundă după Big Bang, spațiu-timpul se extindea rapid și această expansiune a dus la crearea de particule din energia vidului. Acest fenomen de creare a particulelor poate fi modelat folosind teoria câmpului cuantic în spațiu-timp curbat, dar simularea sa rămâne complexă. Implementarea acestei simulări a necesitat crearea unui circuit cuantic complex. Qubiții au fost folosiți pentru a reprezenta stările excitate ale câmpului cuantic, fiecare qubit corespunzând unui mod de excitare specific al câmpului. Unul dintre pașii cheie în proiectarea circuitului a fost codificarea evoluției sistemului în operatori de evoluție în timp. Aplicați la qubiți, acești operatori au făcut posibilă simularea evoluției stării câmpului cuantic într-un Univers în expansiune. Pentru a compensa erorile introduse de zgomotul cuantic, cercetătorii au aplicat o metodă de extrapolare fără zgomot (ZNE), care implică introducerea deliberată a zgomotului în calcule și apoi extrapolarea rezultatelor pentru a obține o estimare a rezultatelor fără zgomot.
Rezultatele simulării au fost concludente. În ciuda zgomotului cuantic, cercetătorii au reușit să demonstreze că crearea de particule într-un spațiu-timp în expansiune ar putea fi simulată cu suficientă acuratețe. Deși încă influențate de zgomot, aceste rezultate deschid calea către studii mai aprofundate asupra originii particulelor în Universul timpuriu. Implicațiile acestui studiu depășesc cu mult simularea apariției particulelor. Ele marchează un punct de cotitură în utilizarea simulărilor cuantice digitale pentru studiul fenomenelor cosmice. Această cercetare demonstrează fezabilitatea utilizării calculului cuantic pentru a explora fenomene cosmologice complexe, o cale promițătoare pentru viitorul cosmologiei teoretice.
