Wissenschaftler verschieben die Grenzen unseres Verständnisses des Universums mit neuen Entdeckungen in der Quantenphysik und Kosmologie. In Spanien haben Forscher Quantencomputer von IBM verwendet, um die Teilchenentstehung in einem expandierenden Universum zu simulieren, während ein anderes Team Gravitationswellen aus der Verschmelzung von Schwarzen Löchern analysiert hat, was möglicherweise verborgene Asymmetrien im Kosmos aufdeckt.
Die in Scientific Reports veröffentlichte Studie unter der Leitung von Marco Díaz Maceda von der Autonomen Universität Madrid demonstriert die digitale Quantensimulation der Quantenfeldtheorie für gekrümmte Raumzeit (QFTCS). QFTCS behandelt Materie und Kraftfelder quantenmechanisch, während die Raumzeit als klassischer Hintergrund beibehalten wird, der durch die allgemeine Relativitätstheorie beschrieben wird. Dieser Ansatz ermöglicht es Physikern, Quantenwirkungen in gekrümmter Raumzeit zu untersuchen, ohne eine vollständige Theorie der Quantengravitation zu benötigen.
Die Forscher simulierten erfolgreich die Teilchenentstehung in expandierender Raumzeit, wobei die Ergebnisse mit theoretischen Vorhersagen übereinstimmten. Sie verwendeten einen Quantenkreis, der so konzipiert war, dass er den Prozess mithilfe des 127-Qubit-Eagle-Prozessors von IBM simuliert, beginnend mit dem Universum in einem Vakuumzustand und der Implementierung des Kreises für die Teilchenentstehung. Die Forscher kodierten die Quantenfelderzustände in tatsächliche physikalische Qubits, wobei jedes Qubit den vier Anregungsniveaus des Systems entspricht.
In der Zwischenzeit hat ein Team unter der Leitung von Juan Calderón Bustillo von der Universität Santiago de Compostela Gravitationswellen aus 47 Verschmelzungen von Schwarzen Löchern analysiert. Sie stellten fest, dass die meisten Verschmelzungen keine Präferenz für links- oder rechtshändige Polarisation zeigten, aber ein Ereignis, das als GW200129 bezeichnet wird, brach die Spiegelsymmetrie. Dies deutet darauf hin, dass einige Verschmelzungen von Schwarzen Löchern präzessierende Bahnebenen haben könnten, was möglicherweise unser Verständnis des großräumigen Verhaltens des Universums beeinflusst.
Diese Entdeckungen könnten weitreichende Auswirkungen auf die Kosmologie und die Vereinigung der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenphysik haben. Das Team glaubt, dass spiegelsymmetrische Verschmelzungen eine Nettoemission von polarisierten Photonen aus dem Quantenvakuum erzeugen könnten, ähnlich der Hawking-Strahlung. Ihre Forschung, die in Physical Review Letters veröffentlicht wurde, unterstreicht das Potenzial sowohl von Quantensimulationen als auch von Gravitationswellenbeobachtungen, neue Erkenntnisse über das grundlegende Funktionieren des Universums zu gewinnen.