[論文レビュー] Observing the fate of the false vacuum with a quantum laboratory

Steven Abel, Michael Spannowsky|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2020

Quantum and electron transport phenomena参考文献 48被引用数 65

ひとこと要約

この論文は、量子アニーリング機で自由に選択した量子場理論におけるインスタントン媒介量子トンネルの初回実験的観測を示している。スカラー場理論を一般化されたイジング模型に符号化することで、偽真空から真真空へのトンネル確率を測定し、理論的WKB予測と一致することを確認した。これにより、量子アニーリング機が非摂動的場理論力学を実験的に探るための実用的な量子実験室としての可能性を示した。

ABSTRACT

We design and implement a quantum laboratory to experimentally observe and study dynamical processes of quantum field theories. Our approach encodes the field theory as an Ising model, which is then solved by a quantum annealer. As a proof-of-concept, we encode a scalar field theory and measure the probability for it to tunnel from the false to the true vacuum for various tunnelling times, vacuum displacements and potential profiles. The results are in accord with those predicted theoretically, showing that a quantum annealer is a genuine quantum system that can be used as a quantum laboratory. This is the first time it has been possible to experimentally measure instanton processes in a freely chosen quantum field theory. This novel and flexible method to study the dynamics of quantum systems can be applied to any field theory of interest. Experimental measurements of the dynamical behaviour of field theories are independent of theoretical calculations and can be used to infer their properties without being limited by the availability of suitable perturbative or nonperturbative computational methods. In the near future, measurements in such a quantum laboratory could therefore be used to improve theoretical and computational methods conceptually and may enable the measurement and detailed study of previously unobserved quantum phenomena.

研究の動機と目的

• 非摂動的量子場理論力学を実験的に探査できるスケーラブルで柔軟なプラットフォームとして量子アニーリング機を確立すること。
• 特に非摂動的領域において従来の計算手法に制限があることを克服し、理論的計算の代わりに物理的量子実験を導入すること。
• 偽真空崩壊のようなインスタントン過程の観測の可能性を実証すること。
• 任意の場理論におけるソリトンやインスタントンといったこれまで観測されていなかった量子現象を測定するためのフレームワークを提供すること。
• 実験的トンネル率と理論的予測の比較によって、量子アニーリング機を量子実験室としてキャリブレーションおよび検証すること。

提案手法

• 量子アニーリング機上に、場 φ をキュービット自由度に写像することで、d = 1 スカラー場理論を一般化されたイジング模型に符号化する。
• ハミルトニアン H = H_0 + k(t)H_int を用いて、二重Pöschl-Tellerポテンシャルを設計し、k(t) を時間に依存させる事で真の真空の深さを断続的にオンにする。
• Pöschl-Tellerポテンシャルの基底状態（ψ₀ ∝ sech^λ φ）に初期化することで、偽真空状態を模倣する。
• 断続的量子アニーリングを用いて、系を偽真空から真真空へと進化させ、時間関数としてトンネルを観測する。
• さまざまな真空ずれ量 v、トンネル時間、ポテンシャルプロファイルに対して、偽真空から真真空へのトンネル確率を測定する。
• トンネル率のWKB理論的予測との比較により、有効質量およびエネルギースケール（γ = ℏ²/2mη₀²）をキャリブレーションする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子アニーリング機を用いて、スカラー場理論における非摂動的量子トンネル過程を実験的に観測・測定できるか？
• RQ2 偽真空から真真空への実験的トンネル確率は、WKB近似に基づく理論的予測とどの程度一致するか？
• RQ3 量子アニーリング機は、調整可能な相互作用と真空構造を持つ任意の量子場理論の一般用途量子実験室として機能できるか？
• RQ4 現在の量子ハードウェアが、量子場理論におけるインスタントン様プロセスのシミュレーションおよび測定において、どのような制限を受けるか？
• RQ5 このような量子実験室における実験的測定が、既存の理論枠組みでは予測されていない新しい量子現象を明らかにできるか？

主な発見

• D-Wave量子アニーリング機で測定された実験的トンネル確率は、WKB法から導かれた理論的予測と良好に一致しており、観測プロセスの量子的性質が裏付けられた。
• 本研究は、自由に選択した量子場理論におけるインスタントン媒介トンネルの初回実験的観測に成功し、実験的量子場理論における重要なマイルストーンを達成した。
• 本手法により、調整可能なポテンシャルプロファイルを持つスカラー場理論における非摂動的崩壊過程の測定が可能になった。
• 有効場理論パラメータ（例：γ = ℏ²/2mη₀²）のキャリブレーションは、WKB予測との比較によって達成され、量子アニーリング機が物理的シミュレータとしての一貫性を確認した。
• 結果は、量子アニーリング機が理論的または計算的近似に依存せずに、真の量子実験室として機能できることを確認した。
• 本アプローチは原則としてスケーラブルであり、キュービット数と接続性に限界があるが、今後の実験でソリトン、インスタントン、スファラロン遷移といった複雑な現象を研究する道を開いた。