SIMULAZIONE QUANTISTICA DEL DECADIMENTO DEL FALSO VUOTO – ShowTechies

Una danza di bolle potenzialmente catastrofiche simula sistemi fuori dall’equilibrio e le loro transizioni di fase, difficili da esplorare con i metodi computazionali tradizionali.

Quasi 50 anni fa, il fisico teorico Sydney Coleman ha postulato che il nostro universo potrebbe essere in uno stato metastabile, ossia apparire stabile. In questo caso, ci troveremmo attualmente in un falso vuoto con energia residua che potrebbe decadere in uno stato di vero vuoto con energia inferiore, secondo la meccanica quantistica.

Altre teorie presuppongono che il falso vuoto potrebbe essere decaduto nello stato di vero vuoto poco dopo il Big Bang, con l’universo già in uno stato stabile.

Il dottor Jean-Yves Desaules, dell’ISTA (Institute of Science and Technology Austria), ha spiegato che il fenomeno è paragonabile ad una montagna russa che ha diverse valli lungo la traiettoria, ma solo uno stato ‘vero’ più basso, a livello del suolo. Se fosse davvero così, la meccanica quantistica renderebbe possibile una transizione dell’universo verso lo stato di vero vuoto, attraverso il tunneling quantistico, con conseguenze disastrose.

I fisici s’interrogano sull’eventualità che il decadimento del falso vuoto possa avvenire e sulle tempistiche, ma i progressi nel rispondere a queste domande sono stati limitati dalla complessità matematica della teoria quantistica dei campi.

Il processo consisterebbe nella formazione delle cosiddette “bolle” di vero vuoto, sullo sfondo del falso vuoto, interagendo tra loro. Ad un certo punto, potrebbe costituirsi una bolla molto grande capace di espandersi alla velocità della luce distruggendo tutto ciò che incontra sul suo cammino. Prevedere la cronologia è complicato, ma è probabile che si verifichi in un periodo astronomicamente lungo, potenzialmente di milioni di anni.

Una collaborazione internazionale di tre istituti di ricerca ha acquisito preziose informazioni in questo ambito. Il team è stato guidato dal professor Zlatko Papic (professore di fisica teorica dell’Università di Leeds del Regno Unito) e dal dottor Jaka Vodeb, del Jülich Supercomputing Centre (JSC) in Germania.

I ricercatori affermano che questo lavoro segna un significativo passo avanti con interessanti sviluppi per il futuro dell’informatica quantistica e del suo potenziale per studiare alcuni dei complessi problemi della fisica fondamentale dell’universo.

Vodeb ha avuto l’idea di sfruttare un quantum annealer dell’azienda D-Wave, integrato in JUNIQ (la Jülich UNified Infrastructure for Quantum computing), ben sapendo che gli attuali computer quantistici sono ancora molto limitati, ma consentono un vantaggio a condizione di selezionare il dispositivo adatto e formulare il problema in modo corretto.

Rendendosi conto che l’impresa era impegnativa, Vodeb ha richiesto il supporto di Papic e di Desaules che hanno portato la loro competenza in fisica quantistica teorica ed emulazione computazionale.

A differenza dei computer classici che hanno difficoltà a simulare tali processi a causa della crescita esponenziale delle variabili nei sistemi quantistici a molti corpi, i quantum annealer modellano naturalmente questi fenomeni attraverso un’architettura basata sui qubit.

L’esperimento ha comportato il posizionamento di 5564 qubit, i mattoni elementari del calcolo quantistico, in date configurazioni che rappresentano il falso vuoto. Gli scienziati hanno utilizzato un modello unidimensionale, ma già si pensa a versioni 3D sullo stesso annealer.

Le bolle di vero vuoto che si diffondono nel sistema ed interagiscono tra loro sono rappresentate come gruppi di qubit con lo stesso valore (ad esempio, 0) rispetto al falso vuoto (ad esempio, 1).

Tuttavia, i qubit in genere non erano mai in uno stato puro, 0 o 1, ma in uno stato di sovrapposizione quantistica di entrambi, con una maggiore probabilità di collassare in uno stato specifico in base alla configurazione della bolla.

Le osservazioni hanno rivelato che le dinamiche non sono eventi isolati, ma implicano interazioni complesse, tra cui il modo in cui le bolle più piccole possono influenzare quelle più grandi. Il team afferma che le scoperte forniscono nuove intuizioni su come tali transizioni potrebbero essersi verificate poco dopo il Big Bang.

L’indagine è importante per la cosmologia, con implicazioni per ulteriori sviluppi nel calcolo quantistico, dimostrando inoltre che lo studio sull’origine e il destino dell’universo può avvalersi di simulazioni, senza dipendere esclusivamente da esperimenti ad alte energie come quelli condotti presso il Large Hadron Collider del CERN.

I risultati sono rivoluzionari per le tecnologie future che potrebbero cambiare radicalmente settori come la crittografia, i materiali e l’elaborazione energicamente efficiente.

La ricerca è stata pubblicata il 4/2/2025 su Nature Physics.

RIPRODUZIONE RISERVATA – © 2025 SHOWTECHIES – Quando la Tecnologia è spettacolo™ –  E’ vietata la riproduzione e redistribuzione, anche parziale, dell’articolo senza autorizzazione scritta. Se desideri riprodurre i contenuti pubblicati, contattaci.

Rendering: Professor Zlatko Papic utilizzando Povray – Jülich Supercomputing Centre