I en ny studie som publiceras i Scientific Reports simuleras partikelskapande i ett expanderande universum med hjälp av IBM:s kvantdatorer, vilket demonstrerar den digitala kvantsimuleringen av kvantfältteori för krökt rumtid (QFTCS).
Även om försöken att skapa en komplett kvantteori för gravitation har misslyckats, finns det ett annat sätt att utforska och förklara kosmologiska händelser.
QFTCS bibehåller rumtiden som en klassisk bakgrund som beskrivs av den allmänna relativitetsteorin, samtidigt som materian och kraftfälten inom den behandlas kvantmekaniskt. Detta gör det möjligt för fysiker att studera kvanteffekter i ”krökt rumtid” utan att behöva en komplett teori om kvantgravitation.
Denna semi-klassiska teori har redan förutspått fenomen som Hawking-strålning från svarta hål och partikelskapande i expanderande rumtider. Dessa förutsägelser har dock varit svåra att verifiera experimentellt.
Forskare har därför använt analoga kvantsimuleringar, såsom Bose-Einstein-kondensat, för att verifiera dessa fenomen, vilket har lämnat digitala kvantsimuleringar outforskade.
Phys.org talade med studiens försteförfattare, Marco Díaz Maceda, som är doktorand vid Universidad Autónoma de Madrid.
”Jag tror att kvantdatorer har en lovande framtid när det gäller att främja forskning inom fysik. Jag har alltid älskat att studera universum och dess fenomen, så jag drogs naturligt till kvantfält i krökt rumtid. Den här forskningen utgör en fascinerande skärningspunkt mellan dessa två områden, vilket gör det till ett naturligt och inspirerande val för mig”, säger Maceda.
Felreducering vs. felkorrigering
I den nuvarande ”noisy intermediate-scale quantum”-eran (NISQ) har kvantdatorer tre huvudsakliga egenskaper. De är brusiga, vilket innebär att kvantbitarna och kvantgrindarna är känsliga för miljöbuller, och dessa enheter har ungefär tiotals eller några hundra kvantbitar.
Även om dessa enheter är kraftfulla och kan användas för applikationer som optimeringsproblem och maskininlärningsuppgifter, har de en stor flaskhals, nämligen hårdvaran.
Kvantfelrättande koder (QECC) har visat sig fungera teoretiskt, men är svåra att implementera. De kräver många fysiska qubits för att skapa en enda logisk qubit.
Detta gör det opraktiskt att implementera QECC på dagens kvantdatorer som bara har tiotals eller hundratals fysiska qubits.
I den aktuella studien löser forskarna detta genom att föreslå felreducering i stället för felkorrigering. Tanken bakom detta är att förstå hur systemets fel skalar med brus.
När man väl har förstått det kan forskarna arbeta bakåt för att uppskatta det felfria resultatet.
Maceda förklarar hur viktig denna teknik är för studien: ”Vi använde bara fyra qubits, en för varje möjligt tillstånd i fältet. Men eftersom vår krets innehöll ett stort antal kvantgrindar ackumulerades fel under hela exekveringen. För att få tillförlitliga resultat tillämpade vi tekniker för felreducering, vilket bidrog till att förbättra tillförlitligheten i våra beräkningar.”
Skapande av partiklar
I QFT antas en platt rumtid, känd som ”Minkowski-rymden”. Men när rumtiden är krökt eller dynamisk (som i ett expanderande universum) förändras fysiken.
När rumtiden sträcks ut eller expanderar (under inflation) blir vakuumtillståndet (eller nollpunktenergitillståndet) exciterat i den nya rumtiden, vilket leder till att nya partiklar skapas. Denna partikelskapande process tros ha ägt rum i det tidiga universum.
För att simulera denna process valde forskarna att använda Friedman-Lemaitre-Robertson-Walkers (FLRW) universummetrik för att beskriva rumtiden. Denna metrik beskriver hur rumtiden expanderar homogent och isotropiskt.
För kvantfältet överväger de ett massivt skalärfält som utvecklas enligt den modifierade Klein-Gordon-ekvationen för att ta hänsyn till den krökta, expanderande rumtiden.
Slutligen använde forskarna Bogoliubov-transformationer för att beskriva partikelskapandeprocessen. Dessa transformationer gör det möjligt för forskarna att beräkna hur många partiklar som skulle skapas i olika rumtider, dvs. i olika initial- och sluttillstånd.
Implementering av kvantkretsen
Forskarna konstruerade en kvantkrets för att simulera denna process med hjälp av IBM:s Eagle-processor med 127 kvantbitar.
Universums initialtillstånd utformades för att börja i vakuumtillståndet eller ”nollpunktsenergitillståndet”, med en begränsning på en excitation per läge.
Efter detta implementerade forskarna kvantkretsen för partikelskapandeprocessen.
Maceda förklarade processen med att utforma kvantkretsen: ”Det första steget i utformningen av kvantkretsen var att bestämma systemets tidsutvecklingsoperator. Detta uppnåddes genom att relatera de initiala och slutliga tillstånden genom Bogoliubov-transformationer.”
Detta steg gjorde det möjligt för dem att beräkna antalet partiklar som skapades under processen.
Maceda fortsätter: ”När vi väl hade fastställt detta samband tilldelade vi de exciterade tillstånden i skalärfältet till specifika qubits i kvantdatorn.”
Forskarna kodade kvantfältstillstånden till faktiska fysiska qubits, som var och en motsvarade systemets fyra excitationsnivåer. Detta inkluderade grundtillståndet, en excitation vardera i de positiva och negativa lägena, och en i båda lägena.
”Slutligen, med hjälp av tekniker som utvecklats av min mentor Dr. Sabín, mappade vi tidsutvecklingsoperatorn till unitära operationer som verkar på dessa qubits, vilket säkerställer att deras utveckling exakt återspeglar dynamiken i skalärfältet i ett expanderande universum”, säger Maceda.
För att mappa tidsevolutionens operator till unitära operatorer som kan verka på qubits använde forskarna hundratals kvantgrindar.
För att minska felen använde forskarna ”extrapolering med nollbrus” (ZNE). Denna metod går ut på att avsiktligt tillföra brus till systemet på ett kontrollerat sätt, mäta hur bruset påverkar resultaten och sedan extrapolera bakåt till nollbrustillståndet.
Ett genomförbart verktyg för framtida forskning
Simuleringarna visade framgångsrikt partikelskapande i expanderande rumtid, med resultat som stämde överens med teoretiska förutsägelser. Även om resultaten från kvantdatorn visade högre brus, visade de att det var genomförbart.
Dessutom förbättrade ZNE-teknikerna resultaten avsevärt, vilket visar att det går att använda kvantsimuleringar för att studera komplexa system.
Maceda förklarar vilken inverkan deras arbete har på kosmologin: ”Vårt arbete ger ett nytt sätt att simulera partikelskapande i det tidiga universum, vilket ger djupare insikter i de grundläggande processer som formar kosmos.”
Forskarna tror också att digitala kvantsimuleringar redan är och kommer att fortsätta att bli användbara verktyg för att undersöka kosmologiska fenomen.
”Digitala kvantsimuleringar har redan använts av min mentor Dr. Sabín för att undersöka ämnen som gravitationell sammanflätning, Rindler-transformationer som förklarar förångning av svarta hål och universums kausala struktur”, kommenterar Maceda.
För mer information: Marco D. Maceda et al, Digital quantum simulation of cosmological particle creation with IBM quantum computers, Scientific Reports (2025). DOI: 10.1038/s41598-025-87015-6.
