Ученые смоделировали крошечную червоточину на квантовом компьютере

Это не настоящий разрыв в пространстве-времени, но это все равно круто.

Отредактировано 2023-25-06
иллюстрация сквозной червоточины

Физики, математики, астрономы и даже кинематографисты давно увлечены концепцией червоточины: непредсказуемым и часто изменчивым явлением, которое, как считается, создает туннели (и короткие пути между двумя удаленными точками) в пространстве-времени. Согласно другой теории, если соединить две черные дыры правильным образом, то можно создать червоточину.

Изучение червоточин похоже на собирание неполного пазла, не зная, как должна выглядеть конечная картина. Вы можете приблизительно предположить, что должно быть в пробелах, основываясь на завершенных изображениях вокруг, но вы не можете знать наверняка. Это потому, что пока не было получено окончательного доказательства того, что червоточины существуют на самом деле. Однако некоторые решения фундаментальных уравнений и теорий в физике позволяют предположить, что такая сущность существует.

Чтобы понять свойства этого космического фантома на основе того, что было выведено до сих пор, исследователи из Калтеха, Гарварда, Массачусетского технологического института, Фермилаба и Google создали небольшой эффект "червоточины" между двумя квантовыми системами, расположенными на одном процессоре. Более того, команда смогла послать через нее сигнал.

По данным Quanta, это позволило команде Caltech-Google опередить команду IBM-Quantinuum, которая также пыталась установить телепортацию с помощью червоточин.

Хотя то, что они создали, к сожалению, не является настоящей трещиной в ткани пространства-времени, система имитирует известную динамику червоточин. С точки зрения свойств, которые обычно рассматривают физики, таких как положительная или отрицательная энергия, гравитация и поведение частиц, компьютерная симуляция эффективно выглядит и работает как крошечная червоточина. Эта модель, заявила команда на пресс-конференции, является способом изучения фундаментальных проблем Вселенной в лабораторных условиях. Статья, описывающая эту систему, была опубликована на этой неделе в журнале Nature.

"Мы нашли квантовую систему, которая проявляет ключевые свойства гравитационной червоточины, но при этом достаточно мала, чтобы реализовать ее на современном квантовом оборудовании", - сказала в пресс-релизе Мария Спиропулу, профессор физики в Калтехе. "Эта работа представляет собой шаг к более широкой программе тестирования квантовой гравитационной физики с помощью квантового компьютера".

Квантовая гравитация - это набор теорий, которые предполагают, как сочетаются правила, управляющие гравитацией (которая описывает поведение материи и энергии) и квантовой механикой (которая описывает поведение атомов и частиц). У исследователей пока нет точного уравнения для описания квантовой гравитации в нашей Вселенной.

Хотя ученые размышляют о связи между гравитацией и червоточинами уже около 100 лет, только в 2013 году было высказано предположение, что запутанность (явление квантовой физики) играет важную роль в этой связи. А в 2017 году другая группа ученых предположила, что проходимые червоточины работают подобно квантовой телепортации (при которой информация переносится через пространство с использованием принципов запутанности).

В последнем эксперименте, проведенном всего на 9 кубитах (квантовый эквивалент двоичных битов в классических вычислениях) в квантовом процессоре Sycamore компании Google, команда использовала машинное обучение для создания упрощенной версии системы червоточин, "которая может быть закодирована в текущих квантовых архитектурах и сохранит гравитационные свойства", - пояснил Спиропулу. В ходе эксперимента они показали, что информация (в виде кубитов) может быть отправлена через одну систему и снова появиться в другой системе в правильном порядке - поведение, подобное червоточине.

Как же исследователи собираются создать маленькую вселенную в коробке со своими особыми правилами и геометрией? Согласно Google, особый тип соответствия (технически известный как AdS/CFT) между различными физическими теориями позволил ученым построить голограммоподобную вселенную, где они могут "соединять объекты в пространстве с определенными ансамблями взаимодействующих кубитов на поверхности", - пишут исследователи в своем блоге. "Это позволяет квантовым процессорам работать непосредственно с кубитами и одновременно дает представление о физике пространственного времени". Тщательно определяя параметры квантового компьютера для эмуляции определенной модели, мы можем рассмотреть черные дыры или даже пойти дальше и рассмотреть две черные дыры, соединенные друг с другом - конфигурация, известная как червоточина".

Исследователи использовали машинное обучение, чтобы найти идеальную квантовую систему, которая сохранила бы некоторые ключевые гравитационные свойства и поддерживала динамику энергии, которую они хотели изобразить в модели. Кроме того, им нужно было смоделировать частицы, называемые фермионами.

На пресс-конференции команда отметила, что существуют убедительные доказательства того, что наша вселенная работает по схожим правилам, что и голограммная вселенная, наблюдаемая на квантовом чипе. Исследователи написали в блоге Google: "Гравитация - лишь один пример уникальной способности квантовых компьютеров исследовать сложные физические теории: квантовые процессоры могут дать представление о кристаллах времени, квантовом хаосе и химии".