[논문 리뷰] Observing the fate of the false vacuum with a quantum laboratory

Steven Abel, Michael Spannowsky|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 10.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 48인용 수 65

한 줄 요약

이 논문은 양자 어닐링기를 사용하여 자유롭게 선택한 양자장 이론에서 인스탄톤을 통한 양자 터널링 현상을 처음으로 실험적으로 관측하였다. 저자들은 스칼라 장 이론을 일반화된 이징 모형으로 표현함으로써, 가짜 진공에서 진짜 진공으로의 터널링 확률을 측정하였으며, 이는 WKB 이론 예측과 일치함을 확인하였다. 이는 양자 어닐링기를 비초순자기장 이론의 동역학을 실험적으로 탐구할 수 있는 실현 가능한 양자 실험실로 활용할 수 있음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비초순자기장 이론의 비초순자기장 동역학을 실험적으로 탐구할 수 있는 확장 가능하고 유연한 플랫폼으로서의 양자 어닐링기를 구축하기 위해.
• 특히 비초순자기장 영역에서 전통적인 계산 방법의 한계를 극복하기 위해 이론적 계산을 물리적 양자 실험으로 대체하기 위해.
• 가짜 진공 붕괴와 같은 인스탄톤 과정을 제어 가능하고 조절 가능한 양자 시스템에서 관측할 수 있는 가능성을 입증하기 위해.
• 임의의 장 이론에서 관측되지 않은 바 있는 양자 현상(예: 솔리톤, 인스탄톤)을 측정할 수 있는 프레임워크를 제공하기 위해.
• 실험적 터널링 속도를 이론적 예측과 비교하여 양자 어닐링기를 양자 실험실로 校정하고 검증하기 위해.

제안 방법

• 양자 어닐링기에 d = 1 스칼라 장 이론을 일반화된 이징 모형으로 인코딩함. 이 때 장 φ는 큐비트 자유도에 대응시킴.
• 시간에 따라 변화하는 k(t)를 사용한 해밀토니안 H = H_0 + k(t)H_int를 활용하여 더블-포슐-텔러 잠금함수를 설계함. 이는 진짜 진공 최소값을 점진적으로 켜기 위함임.
• 가짜 진공 상태를 시뮬레이션하기 위해 Pöschl-Teller 잠금함수의 기저 상태(ψ₀ ∝ sech^λ φ)로 시스템을 초기화함.
• 가짜 진공에서 진짜 진공으로의 진화를 위해 아디아바틱 양자 어닐링을 사용함으로써, 시간에 따라 터널링 현상을 관측할 수 있도록 함.
• 다양한 진공 이격도 v, 터널링 시간, 잠금함수 프로파일에 대해 가짜 진공에서 진짜 진공으로의 터널링 확률을 측정함.
• 터널링 속도에 대한 WKB 이론 예측과의 비교를 통해 효과적 질량 및 에너지 척도(γ = ℏ²/2mη₀²)를 校정함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자 어닐링기를 사용하여 스칼라 장 이론에서 비초순자기장 양자 터널링 과정을 실험적으로 관측하고 측정할 수 있는가?
• RQ2 가짜 진공에서 진짜 진공으로의 실험적 터널링 확률이 WKB 근사 기반 이론 예측과 어느 정도 일치하는가?
• RQ3 양자 어닐링기가 상호작용과 진공 구조가 조절 가능한 임의의 양자장 이론을 위한 일반적인 양자 실험실로 기능할 수 있는가?
• RQ4 현재의 양자 하드웨어는 양자장 이론에서 인스탄톤 유사 과정을 시뮬레이션하고 측정하는 데 어떤 한계를 지니는가?
• RQ5 이러한 양자 실험실에서의 실험 측정이 기존 이론 프레임워크에서 예측하지 못한 새로운 양자 현상을 드러낼 수 있는가?

주요 결과

• D-Wave 양자 어닐링기에서 측정한 실험적 터널링 확률은 WKB 방법에서 유도된 이론 예측과 뛰어난 일치를 보였으며, 관측된 과정의 양자성질을 검증함.
• 이 연구는 자유롭게 선택한 양자장 이론에서 인스탄톤을 통한 터널링 현상을 처음으로 실험적으로 관측한 바로, 실험적 양자장 이론 분야에서 중요한 전환점이 되었다.
• 이 방법은 스칼라 장 이론에서 비초순자기장 붕괴 과정을 측정할 수 있게 하며, 조절 가능한 잠금함수 프로파일을 가진 가짜 진공에서 진짜 진공으로의 터널링도 가능함.
• 효과적 장 이론 매개변수(예: γ = ℏ²/2mη₀²)의 校정은 WKB 예측과의 비교를 통해 이루어졌으며, 이는 양자 어닐링기가 물리적 시뮬레이터로서의 일관성을 확인함.
• 결과적으로 양자 어닐링기가 이론적 또는 계산적 근사 없이도 진정으로 기능 가능한 양자 실험실로 작용할 수 있음을 확인함.
• 이 접근법은 원칙적으로 확장 가능하며, 큐비트 수와 연결성에 의해 제한될 뿐이며, 향후 실험에서 솔리톤, 인스탄톤, 스파일러론 전이와 같은 복잡한 현상을 연구할 길을 열어줌.