Прорыв может предложить способ изучения «квантовой гравитации», недостающего звена между квантовой физикой и общей теорией относительности Эйнштейна в лаборатории.
Ученые разработали квантовый эксперимент, который позволяет им изучать динамику червоточин, теоретических объектов пространства-времени, которые впервые возникли в теории гравитации Альберта Эйнштейна 1915 года или общей теории относительности.
Вместо того, чтобы создавать настоящую червоточину, разрыв во времени и пространстве, который, как предполагается, образует мост между одной удаленной областью пространства и другой, команда создала модель червоточины для работы на квантовом процессоре. Это позволило им исследовать физику червоточин и их потенциальную связь с так называемой «квантовой гравитацией».
«Мы обнаружили квантовую систему, которая демонстрирует ключевые свойства гравитационной червоточины, но при этом достаточно мала для реализации на современном квантовом оборудовании», — заявила главный исследователь исследовательской программы Управления науки Министерства энергетики США по квантовым коммуникационным каналам для фундаментальной физики (QCCFP) Мария Спиропулу. в выписке (откроется в новой вкладке). «Эта работа представляет собой шаг к более крупной программе тестирования физики квантовой гравитации с использованием квантового компьютера».
Соавтор Саманта Дэвис, аспирант Калифорнийского технологического института, сказала в заявлении, что потребовалось «очень много времени, чтобы прийти к результатам», и что команда была удивлена результатом, который предполагает, что поведение, подобное червоточине, можно объяснить. с точки зрения как квантовой физики, так и общей теории относительности.
Спиропулу, также профессор физики Шан-Йи Чен в Калифорнийском технологическом институте, добавил, что, хотя эта новая модель не заменяет прямые зонды квантовой гравитации, она предлагает мощный способ исследования идей квантового гравитации в лаборатория
Общая относительность Эйнштейна - лучшее описание, которые ученые имеют вселенную на действительно массивных масштабах, в то время как квантовая физика является наиболее точной картиной субатомного мира. Проблема так же надежна, как и эти две области физики с момента их создания в начале 20 -го века, они не объединяются.
Это связано с тем, что нет описания гравитации в масштабе квантовой физики, а гравитация, между тем, является основной проблемой общей относительности. Это делает обнаружение «квантовой теории гравитации», настойчивой заботы о физиках и ключом к давно проведенной «теории всего» в физике.
Квантовая червоточина команды может стать шагом в правильном направлении в этом квесте.
Ученые теоретизировали о чертовах с 1935 года, когда Альберт Эйнштейн принял свои уравнения общей относительности 1915 года, и вместе с американским-израильским физиком Натаном Розеном описал их как туннели через самую ткань пространства.
Приобретая прозвище «мосты Эйнштейна-Росена», эти туннели в пространстве времени были позже названы экспертом «Черная дыра» Джоном Уилером в 1950-х годах.
В 2013 году была установлена связь между червоточинами и запутанностью, элементом квантовой физики, который предполагает, что две частицы могут быть связаны таким образом, что изменение одной мгновенно изменяет другую, независимо от того, как далеко они друг от друга, даже если они расположены на противоположных сторонах. сторон Вселенной друг от друга.
Физики Хуан Малдасена и Леонард Сасскинд связали два несопоставимых мира общей теории относительности и квантовой физики, когда они предположили, что червоточины эквивалентны запутанности в том смысле, что оба описывают связь между удаленными областями Вселенной. «Это была очень смелая и поэтичная идея, — сказал Спиропулу.
В 2017 году идея, выдвинутая Малдасеной и Сасскиндом, была расширена физиком Гарвардского университета Дэниелом Джафферисом, соавтором текущего исследования, и его коллегами.
Они разработали концепцию, согласно которой отрицательная энергия отталкивания удерживает червоточину открытой достаточно долго, чтобы что-то могло пройти от одного конца к другому, создавая проходную червоточину.
Концепция проходимой червоточины была аналогична другой особенности квантовой физики, квантовой телепортации, которая использует принципы запутанности для передачи информации на огромные расстояния с помощью оптоволокна или по воздуху.
Это текущее исследование рассматривает потенциальную связь между червоточинами и квантовой телепортацией и исследует ее более подробно, поскольку команда под руководством Калифорнийского технологического института проводит первые эксперименты, которые исследуют идею о том, что информация, перемещающаяся из одной точки пространства в другую, может быть описана либо с использованием языка гравитация, установленная общей теорией относительности или квантовой запутанностью — на языке квантовой физики.
Команда начала работу с разработки детской квантовой системы Сачдева-Е-Китайева (SYK) и запутывания ее с другой системой SYK, в результате чего была построена модель, сохраняющая гравитационные свойства.
Затем эта модель была приведена к упрощенной форме с помощью машинного обучения на обычных компьютерах, после чего ученые смогли наблюдать динамику, подобную червоточине, на квантовом процессоре Google Sycamore.
«Мы использовали методы обучения, чтобы найти и подготовить простую квантовую систему, подобную SYK, которую можно было бы закодировать в современных квантовых архитектурах и которая сохраняла бы гравитационные свойства», — сказал Спиропулу. «Другими словами, мы упростили микроскопическое описание квантовой системы SYK и изучили получившуюся эффективную модель, которую нашли на квантовом процессоре».
В ходе эксперимента команда представила кубит, базовую единицу квантовых вычислений, эквивалентную стандартному биту в традиционных вычислениях, одному из SYK. Затем они наблюдали, как информация появлялась на другом СПК.
Это означало, что информация переместилась из одной квантовой системы в другую посредством квантовой телепортации на языке квантовой физики. Однако на языке гравитации это воспроизводило путешествие через проходимую червоточину.
Ключевые характеристики проходимой червоточины проявились только тогда, когда команда попыталась открыть свою модель моста в пространстве-времени, используя импульсы отталкивающей отрицательной энергии. Это отражает то, как настоящие червоточины должны вести себя в глубинах космоса, если они когда-либо будут обнаружены.
Тест, проведенный командой, был первым экспериментом в своем роде и стал возможен только благодаря использованию квантового процессора Google с высокой точностью.
«Если бы уровень ошибок был выше на 50 процентов, сигнал был бы полностью затенен. Если бы они были вдвое меньше, мы бы получили сигнал в 10 раз больше!» — сказал Спиропулу. «Любопытно и удивительно, как оптимизация одной характеристики модели сохранила другие показатели. У нас есть планы провести дополнительные тесты, чтобы лучше понять саму модель».
Эти будущие тесты будут включать перенос работы на еще более сложные квантовые схемы — , хотя до появления полноценных квантовых компьютеров могут пройти еще годы.
«Взаимосвязь между квантовой запутанностью, пространством-временем и квантовой гравитацией — один из важнейших вопросов фундаментальной физики и активная область теоретических исследований», — заключил Спиропулу. «Мы рады сделать этот небольшой шаг к тестированию этих идей на квантовом оборудовании и будем продолжать».
No comments:
Post a Comment