Использование квантовых систем, таких как газы или кубиты, для моделирования явлений ранней Вселенной, включая распад вакуума или однородность.Квантовое моделирование космологии — это исследовательская стратегия, использующая управляемые квантовые системы, такие как сверххолодные атомные газы, ионы в ловушках или сверхпроводящие кубиты, в качестве миниатюрных аналогов ранней Вселенной. Идея заключается в том, что те же квантовые теории поля, которые, как считается, управляют космосом вскоре после Большого взрыва, можно воспроизвести в лаборатории в гораздо меньших масштабах и с более медленными временными характеристиками, что позволяет физикам изучать явления, недоступные для прямого наблюдения. Это включает распад вакуума — процесс, при котором состояние «ложного вакуума» коллапсирует в состояние «истинного вакуума» с более низкой энергией, потенциально создавая пузыри, которые расширяются и порождают материю, — механизм, который некоторые теории предлагают для рождения нашей Вселенной.
Концепция использования аналоговых систем для изучения космологических явлений получила развитие в начале 2000-х годов, особенно благодаря предложениям Уильяма Унру и других моделировать излучение Хокинга с помощью звуковых горизонтов в жидкостях. Конкретное применение к распаду вакуума и динамике ранней Вселенной исследовалось теоретически с 2010-х годов, а экспериментальные реализации в атомных газах появились примерно в тот же период.
Подход основан на математической эквивалентности между некоторыми системами физики конденсированного состояния и космологическими моделями. Например, конденсат Бозе — Эйнштейна из сверххолодных атомов можно сконструировать так, чтобы он имитировал скалярное поле в искривлённом пространстве-времени, с эффективной «скоростью света» и «гравитационным» потенциалом. Настраивая взаимодействия и внешние ловушки, исследователи могут создавать аналоговые горизонты, моделировать инфляционное расширение или вызывать события распада вакуума контролируемым образом. Возникающая динамика, такая как рост пузырьковых доменов, затем измеряется и сравнивается с теоретическими предсказаниями, что даёт эмпирические проверки идей, которые в противном случае оставались бы чисто умозрительными.
Помимо фундаментальной физики, квантовые симуляторы космологии помогают разрабатывать вычислительные инструменты для квантовых многочастичных задач и способствуют развитию таких технологий, как квантовые сенсоры и квантовые вычисления, которые полагаются на точный контроль квантовых состояний.
В некоторых экспериментах «пузыри» распада вакуума в квантовом газе расширяются со скоростями, которые можно напрямую снимать на высокоскоростные камеры, что делает событие из первых долей секунды после Большого взрыва видимым в реальном времени.
