[论文解读] 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 65

一句话总结

本文首次通过量子退火器在自由选择的量子场论中实验观测到瞬子介导的量子隧穿效应。通过将标量场论编码为广义伊辛模型，作者测量了从假真空到真真空的隧穿概率，其结果与理论WKB预测高度一致，确立了量子退火器作为非微扰场论动力学可行量子实验室的地位。

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.

研究动机与目标

• 建立一个可扩展、灵活的平台，用于实验探测非微扰量子场论动力学。
• 通过以物理量子实验替代理论计算，克服传统计算方法的局限性，尤其是在非微扰区域。
• 展示在可控、可调的量子系统中观测瞬子过程（如假真空衰变）的可行性。
• 为测量任意场论中此前未观测到的量子现象（如孤子和瞬子）提供框架。
• 通过将实验测得的隧穿速率与理论预测进行比较，校准并验证量子退火器作为量子实验室的性能。

提出的方法

• 在量子退火器上将 d = 1 标量场论编码为广义伊辛模型，将场 φ 映射到量子比特自由度。
• 通过哈密顿量 H = H_0 + k(t)H_int 设计双Pöschl-Teller势，其中 k(t) 为时间依赖项，以绝热方式开启真真空最小值。
• 将系统初始化为Pöschl-Teller势的基态（ψ₀ ∝ sech^λ φ），以模拟假真空态。
• 使用绝热量子退火使系统从假真空演化至真真空，从而将隧穿过程作为时间函数进行观测。
• 测量不同真空位移 v、隧穿时间及势能剖面下的从假真空到真真空的隧穿概率。
• 通过与WKB理论预测的隧穿速率对比，校准有效质量与能量尺度（γ = ℏ²/2mη₀²）。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用量子退火器在标量场论中实验观测并测量非微扰量子隧穿过程？
• RQ2 实验测得的从假真空到真真空的隧穿概率在多大程度上与基于WKB近似的理论预测一致？
• RQ3 量子退火器能否作为通用量子实验室，用于具有可调相互作用和真空结构的任意量子场论？
• RQ4 当前量子硬件在模拟和测量量子场论中类似瞬子的过程时存在哪些局限性？
• RQ5 此类量子实验室中的实验测量能否揭示现有理论框架尚未预测的新量子现象？

主要发现

• 在D-Wave量子退火器上测得的实验隧穿概率与基于WKB方法推导的理论预测高度一致，验证了所观测过程的量子本质。
• 本研究首次在自由选择的量子场论中实验观测到瞬子介导的隧穿效应，标志着实验量子场论的一个里程碑。
• 该方法可实现对标量场论中非微扰衰变过程的测量，包括可调势能剖面下从假真空到真真空的隧穿。
• 通过与WKB预测对比，成功校准了有效场论参数（如 γ = ℏ²/2mη₀²），证实了量子退火器作为物理模拟器的一致性。
• 结果表明，量子退火器可作为真正的量子实验室用于场论研究，且独立于理论或计算近似。
• 该方法在原则上具有可扩展性，仅受限于量子比特数量和连通性，为未来研究孤子、瞬子及Sphaleron跃迁等复杂现象打开了大门。