Físicos realizaram uma simulação que, segundo eles, lança nova luz sobre um fenômeno elusivo que pode determinar o destino final do universo.

Uma pesquisa pioneira na teoria quântica de campos, há cerca de 50 anos, propôs que o universo pode estar preso em um falso vácuo — o que significa que ele parece estável, mas na verdade pode estar prestes a fazer a transição para um estado de vácuo verdadeiro ainda mais estável.

Embora esse processo possa desencadear uma mudança catastrófica na estrutura do universo, especialistas concordam que prever a linha do tempo é desafiador, mas é provável que ocorra ao longo de um período astronomicamente longo, potencialmente abrangendo milhões de anos.

Em uma colaboração internacional entre três instituições de pesquisa, a equipe relata ter obtido insights valiosos sobre a falsa decadência do vácuo — um processo ligado às origens do cosmos e ao comportamento de partículas nas menores escalas. A colaboração foi liderada pelo Professor Zlatko Papic, da Universidade de Leeds, e pelo Dr. Jaka Vodeb, do Forschungszentrum Jülich, Alemanha.

O autor principal do artigo, Professor Papic, Professor de Física Teórica na Escola de Física e Astronomia em Leeds, disse: "Estamos falando de um processo pelo qual o universo mudaria completamente sua estrutura. As constantes fundamentais poderiam mudar instantaneamente e o mundo como o conhecemos entraria em colapso como um castelo de cartas.

"O que realmente precisamos são de experimentos controlados para observar esse processo e determinar suas escalas de tempo."

Os pesquisadores dizem que este trabalho marca um passo significativo na compreensão da dinâmica quântica , oferecendo possibilidades interessantes para o futuro da computação quântica e seu potencial para estudar alguns dos problemas mais desafiadores em torno da física fundamental do universo.

A pesquisa, realizada pela Universidade de Leeds, Forschungszentrum Jülich e pelo Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA), teve como objetivo entender o principal enigma da falsa deterioração do vácuo — o mecanismo subjacente a ela.

Eles usaram um recozedor quântico de 5.564 qubits, um tipo de máquina quântica projetada pela D-Wave Quantum Inc. para resolver problemas complexos de otimização — que envolvem encontrar a melhor solução a partir de um conjunto de soluções possíveis — aproveitando as propriedades exclusivas dos sistemas mecânicos quânticos.

No artigo, publicado na Nature Physics , a equipe explica como usou a máquina para imitar o comportamento de bolhas em um vácuo falso.

Essas bolhas são semelhantes às bolhas líquidas que se formam no vapor de água, resfriado abaixo do seu ponto de orvalho. Entende-se que a formação, interação e espalhamento dessas bolhas seriam o gatilho para a falsa decadência do vácuo.

O coautor Dr. Jean-Yves Desaules, pesquisador de pós-doutorado no ISTA, que concluiu seu doutorado na Universidade de Leeds, disse: "Esse fenômeno é comparável a uma montanha-russa que tem vários vales ao longo de sua trajetória, mas apenas um estado 'verdadeiro' mais baixo, no nível do solo.

O quantum annealer permitiu que cientistas observassem a intrincada "dança" das bolhas, que envolve como elas se formam, crescem e interagem em tempo real. Essas observações revelaram que a dinâmica não são eventos isolados — elas envolvem interações complexas , incluindo como bolhas menores podem influenciar as maiores.

A equipe diz que suas descobertas fornecem novos insights sobre como tais transições podem ter ocorrido logo após o Big Bang.

O primeiro autor do artigo, Dr. Vodeb, pesquisador de pós-doutorado em Jülich, disse: "Ao aproveitar as capacidades de um grande recozedor quântico, nossa equipe abriu as portas para estudar sistemas quânticos fora do equilíbrio e transições de fase que, de outra forma, seriam difíceis de explorar com métodos de computação tradicionais."

Os físicos há muito questionam se o falso processo de decaimento do vácuo poderia acontecer e, se sim, quanto tempo levaria. No entanto, eles fizeram pouco progresso em encontrar respostas devido à natureza matemática difícil de manejar da teoria quântica de campos.

Em vez de tentar resolver esses problemas complexos, a equipe decidiu responder a outros mais simples que podem ser estudados usando novos dispositivos e hardware disponíveis. Acredita-se que esta seja uma das primeiras vezes em que cientistas conseguiram simular e observar diretamente a dinâmica da falsa decadência do vácuo em uma escala tão grande.

O experimento envolveu colocar 5.564 qubits — os blocos de construção elementares da computação quântica — em configurações específicas que representam o falso vácuo.

Controlando cuidadosamente o sistema, os pesquisadores puderam desencadear a transição do vácuo falso para o verdadeiro, espelhando a formação de bolhas conforme descrito pela teoria do decaimento do vácuo falso. O estudo usou um modelo unidimensional, mas acredita-se que versões 3D serão possíveis no mesmo recozimento.

A máquina D-Wave é integrada ao JUNIQ, a Jülich UNified Infrastructure for Quantum computing no Jülich Supercomputing Center. O JUNIQ fornece acesso científico e industrial a dispositivos de computação quântica de última geração.

O professor Papic disse: "Estamos tentando desenvolver sistemas onde podemos realizar experimentos simples para estudar esse tipo de coisa. As escalas de tempo para esses processos acontecendo no universo são enormes, mas usar o annealer nos permite observá-los em tempo real, para que possamos realmente ver o que está acontecendo.

"Este trabalho emocionante, que combina simulação quântica de ponta com física teórica profunda, mostra o quão perto estamos de resolver alguns dos maiores mistérios do universo."

As descobertas mostram que insights sobre a origem e o destino do universo nem sempre exigem experimentos multimilionários em instalações dedicadas a alta energia, como o Grande Colisor de Hádrons do CERN.

O professor Papic acrescentou: "É emocionante ter essas novas ferramentas que podem servir efetivamente como um 'laboratório' de mesa para entender os processos dinâmicos fundamentais no universo."

Pesquisadores dizem que suas descobertas destacam o potencial dos recozedores quânticos na solução de problemas práticos muito além da física teórica.

Além de sua importância para a cosmologia, o estudo tem implicações práticas para o avanço da computação quântica, de acordo com os pesquisadores. Eles acreditam que entender as interações de bolhas no falso vácuo pode levar a melhorias em como os sistemas quânticos gerenciam erros e realizam cálculos complexos, ajudando a tornar a computação quântica mais eficiente.

O Dr. Vodeb concluiu: "Essas descobertas não apenas ampliam os limites do conhecimento científico, mas também abrem caminho para tecnologias futuras que podem revolucionar campos como criptografia, ciência dos materiais e computação com eficiência energética."

Dr. Kedar Pandya, Diretor Executivo de Estratégia do EPSRC disse, "A pesquisa movida pela curiosidade é uma parte crítica do trabalho que o EPSRC apoia. Este projeto é uma grande demonstração desse trabalho, com ideias da física quântica fundamental se unindo a avanços tecnológicos na computação quântica para ajudar a responder perguntas profundas sobre a natureza do universo."