Физики смоделировали упрощенную проходимую червоточину на квантовом компьютере

Существование червоточин, соединяющих два места в пространстве-времени, возможно в квантовой физике, поскольку для создания такого объекта требуется отрицательная энергия. Недавно ученые впервые разработали квантовый эксперимент, позволяющий изучить динамику особого типа теоретической червоточины — проходимой червоточины. Это исследование — шаг к изучению квантовой гравитации в лабораторных условиях, попытка объединить квантовую физику с общей теорией относительности Эйнштейна.

Чтобы понять сложность нашей Вселенной, математические модели пытаются распознать наиболее важные аспекты физической системы, игнорируя при этом сложные и беспорядочные детали. Идея заключается в том, чтобы сбалансировать решаемость и актуальность. Это принцип, на котором основано новое исследование квантовой гравитации, и в частности модель Сачдева-Йе-Китаева (SYK). Это модель в физике конденсированных сред, которая описывает материю без квазичастиц, что должно привести к лучшему пониманию высококоррелированных материалов, таких как червоточины.

Червоточины, соединяющие два места в пространстве-времени, являются возможным решением уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Карл Шварцшильд, немецкий физик, предсказал существование черных дыр, соединенных туннелем — червоточиной. Но последняя разрушится под «весом» информации, поглощенной черными дырами, если ее не стабилизируют экзотические материалы с отрицательной плотностью энергии, как предсказывает квантовая физика.

Поэтому вопрос заключается в том, каково максимальное количество информации, которое может поместиться в одной области пространства, и можно ли ее целиком перенести в другую область через червоточину. Так, Стивен Хокинг, среди прочих, обнаружил, что информационное содержание черной дыры задается поверхностью горизонта событий — а не объемом черной дыры. Эта связь была воплощена во фразе «It from qubit», описывающей, как материя («it») возникает из квантовой информации («qubit»), как поясняется в заявлении Google, участника исследования.

Независимо от того, существуют ли они в реальности, изучение червоточин может стать ключом к пониманию связи между информацией и материей, которая не дает покоя физикам уже несколько десятилетий. Недавно команда физиков из Калтеха, Гарварда, Фермилаба, Массачусетского технологического института и Google представила результаты по паре квантовых систем, которые демонстрируют поведение проходимой червоточины.

Эксперимент не создал реальную червоточину, но скорее позволил исследователям с помощью квантового компьютера прощупать связи между теоретическими червоточинами и квантовой физикой, предсказанием так называемой квантовой гравитации. Последняя пытается объединить общую теорию относительности Эйнштейна, которая описывает гравитацию как искривление и деформацию самого пространства-времени, с квантовой теорией, которая управляет микроскопической динамикой частиц и их взаимодействием. Их работа опубликована в журнале Nature.

«It from qubit» и квантовая гравитация

Как упоминалось ранее, связь между квантовой информацией и материей является важнейшим моментом для исследователей. Хотя формализовать такие отношения для обычного пространства-времени сложно, недавние исследования привели к замечательному прогрессу в гипотетической вселенной с гиперболической геометрией, известной как «пространство анти-де Ситтера», в которой теория квантовой гравитации строится более естественно. Пространство анти-де Ситтера является одним из фундаментальных решений уравнений Эйнштейна. Это особый тип пространства-времени, которое, в отличие от обычного пространства-времени, в котором мы живем, имеет постоянную отрицательную кривизну.

Идея заключается в том, что отрицательная энергия отталкивания будет удерживать червоточину открытой достаточно долго, чтобы через нее что-то могло пройти. Исследователи показали, что это гравитационное описание проходимой червоточины эквивалентно процессу, известному как квантовая телепортация. При квантовой телепортации информация переносится через пространство с использованием принципов квантовой запутанности.

Поэтому в данной работе исследуется эквивалентность червоточин с квантовой телепортацией. Команда, возглавляемая сотрудниками Калифорнийского технологического института, провела первые эксперименты, которые подтверждают идею о том, что информация, перемещающаяся из одной точки пространства в другую, может быть описана либо на языке гравитации (червоточины), либо на языке квантовой физики (квантовая запутанность).

Квантовый процессор и червоточины

Модель Сачдева-Йе-Китаева (SYK), упомянутая ранее, заставила исследователей предположить, что некоторые теоретические идеи о червоточинах могут быть дополнительно исследованы путем экспериментов на квантовых процессорах.

Стоит отметить, что в 2019 году Дэниел Джафферис из Гарвардского университета и его коллега Пинг Гао показали, что, запутав две модели SYK, можно осуществить телепортацию червоточин и таким образом получить и измерить ожидаемые динамические свойства проходимых червоточин.

В новом исследовании команда физиков впервые провела эксперимент такого типа. Для этого им сначала пришлось свести модель SYK к упрощенной форме, используя инструменты машинного обучения на обычных компьютерах. Александр Злокапа из Массачусетского технологического института объясняет в своем заявлении: «Мы осуществили своего рода квантовую телепортацию, эквивалентную проходимой червоточине в гравитационной картине. Для этого нам пришлось упростить квантовую систему до самого маленького примера, сохраняющего гравитационные характеристики, чтобы мы могли реализовать ее на квантовом процессоре Sycamore компании Google«.

В частности, в ходе эксперимента исследователи вставили кубиты — квантовый эквивалент бита в обычных компьютерах на основе кремния — в одну из SYK-подобных систем и наблюдали, что в другой системе появилась информация. Информация перемещалась из одной квантовой системы в другую посредством квантовой телепортации или, в контексте квантовой гравитации, квантовая информация перемещалась через проходимую червоточину.

Ожидаемые результаты

В исследовании физики сообщают об ожидаемом поведении червоточины как с точки зрения теории гравитации, так и с точки зрения квантовой физики. По сути, команда попыталась «открыть червоточину», используя импульсы отрицательной отталкивающей энергии или противоположной положительной энергии. Они наблюдали ключевые признаки проходимой червоточины только тогда, когда применялся эквивалент отрицательной энергии, что соответствует ожидаемому поведению червоточин.

Мария Спиропулу, главный исследователь исследовательской программы Управления по науке Министерства энергетики США Quantum Communication Channels for Fundamental Physics (QCCFP), говорит: «Точность используемого нами квантового процессора имела решающее значение. Если бы уровень ошибок был на 50% выше, сигнал был бы полностью затушеван. Если бы они были в два раза меньше, мы бы имели в 10 раз больше сигнала«.

В будущем исследователи надеются распространить эту работу на более сложные квантовые схемы. Хотя широко используемые квантовые компьютеры еще не доступны, команда планирует продолжить проведение экспериментов такого рода на существующих платформах квантовых вычислений.

Спиропулу заключает: «Связь между квантовой запутанностью, пространством-временем и квантовой гравитацией является одним из наиболее важных вопросов фундаментальной физики и активной областью теоретических исследований. Мы рады сделать этот небольшой шаг к проверке этих идей на квантовом оборудовании, и мы будем продолжать это делать«.