Ученые впервые разработали квантовый эксперимент, который позволяет им изучать динамику или поведение особого вида теоретической червоточины. Эксперимент не создал настоящую червоточину (разрыв в пространстве и времени), а позволяет исследователям исследовать связи между теоретическими червоточинами и квантовой физикой, предсказанием так называемой квантовой гравитации. Квантовая гравитация относится к набору теорий, которые пытаются связать гравитацию с квантовой физикой, двумя фундаментальными и хорошо изученными описаниями природы, которые кажутся несовместимыми друг с другом по своей сути.
«Мы обнаружили квантовую систему, которая демонстрирует ключевые свойства гравитационной червоточины, но при этом достаточно мала для реализации на современном квантовом оборудовании», — говорит Мария Спиропулу, главный исследователь исследовательской программы Управления науки Министерства энергетики США «Каналы квантовой связи для фундаментальной физики». (QCCFP) и профессором физики Шанг-И Чен в Калифорнийском технологическом институте. «Эта работа представляет собой шаг к более крупной программе проверки физики квантовой гравитации с использованием квантового компьютера. Она не заменяет прямые исследования квантовой гравитации так же, как другие запланированные эксперименты, которые могут исследовать эффекты квантовой гравитации в будущем с использованием квантового зондирования. , но он предлагает мощный испытательный стенд для проверки идей квантовой гравитации».
Исследование будет опубликовано 1 декабря в журнале Nature . Первыми авторами исследования являются Даниэль Джафферис из Гарвардского университета и Александр Злокапа (бакалавр наук 21 года), бывший студент бакалавриата Калифорнийского технологического института, который начал работу над этим проектом для своей бакалаврской диссертации в Спиропулу и с тех пор перешел в аспирантуру Массачусетского технологического института.
Червоточины — это мосты между двумя удаленными регионами в пространстве-времени. Их не наблюдали экспериментально, но ученые теоретизировали об их существовании и свойствах почти 100 лет. В 1935 году Альберт Эйнштейн и Натан Розен описали червоточины как туннели сквозь ткань пространства-времени в соответствии с общей теорией относительности Эйнштейна, которая описывает гравитацию как искривление пространства-времени. Исследователи называют червоточины мостами Эйнштейна-Розена в честь двух физиков, которые их использовали, а сам термин «червоточина» был придуман физиком Джоном Уилером в 1950-х годах.
Представление о том, что червоточины и квантовая физика, в частности запутанность (явление, при котором две частицы могут оставаться связанными на огромных расстояниях), могут иметь связь, было впервые предложено в теоретическом исследовании Хуаном Малдасеной и Леонардом Сасскиндом в 2013 году. Физики предположили, что червоточины ( или «ER») были эквивалентны запутанности (также известной как «ЭПР» в честь Альберта Эйнштейна, Бориса Подольского [доктор философии ’28] и Натана Розена, которые первыми предложили эту концепцию). По сути, эта работа установила новый вид теоретической связи между мирами гравитации и квантовой физики. «Это была очень смелая и поэтичная идея», — говорит Спиропулу о работе ER = EPR.
Позже, в 2017 году, Джафферис вместе со своими коллегами Пингом Гао и Ароном Уоллом распространил идею ER = EPR не только на червоточины, но и на проходные червоточины. Ученые придумали сценарий, в котором отрицательная энергия отталкивания удерживает червоточину открытой достаточно долго, чтобы что-то могло пройти от одного конца к другому. Исследователи показали, что это гравитационное описание проходимой червоточины эквивалентно процессу, известному как квантовая телепортация. В квантовой телепортации, протоколе, который был экспериментально продемонстрирован на больших расстояниях по оптоволокну и по воздуху, информация передается в пространстве с использованием принципов квантовой запутанности.
Настоящая работа исследует эквивалентность червоточин с квантовой телепортацией. Команда под руководством Калифорнийского технологического института провела первые эксперименты, проверяющие 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).
Ключевое открытие, которое вдохновило на возможные эксперименты, произошло в 2015 году, когда Алексей Китаев из Калифорнийского технологического института, профессор теоретической физики и математики Рональда и Максин Линде, показал, что простая квантовая система может демонстрировать ту же двойственность, которая позже была описана Гао, Джафферисом и Уоллом. что квантовая динамика модели эквивалентна эффектам квантовой гравитации. Эта модель Сачдева-Йе-Китайева, или SYK (названная в честь Китаева и Субира Сачдева и Цзиньу Йе, двух других исследователей, которые работали над ее разработкой ранее) побудила исследователей предположить, что некоторые теоретические идеи о червоточинах можно изучить более глубоко, проводя эксперименты на квантовые процессоры.
Развивая эти идеи, в 2019 году Джафферис и Гао показали, что, запутав две модели SYK, исследователи смогут выполнять телепортацию червоточин и, таким образом, создавать и измерять динамические свойства, ожидаемые от проходимых червоточин.
В новом исследовании группа физиков впервые провела эксперимент такого типа. Они использовали «детскую» SYK-подобную модель, подготовленную для сохранения гравитационных свойств, и наблюдали за динамикой червоточины на квантовом устройстве в Google, а именно на квантовом процессоре Sycamore. Для этого команде пришлось сначала привести модель SYK к упрощенной форме, чего они добились, используя инструменты машинного обучения на обычных компьютерах.
«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», — говорит Спиропулу. «Другими словами, мы упростили микроскопическое описание квантовой системы SYK и изучили получившуюся эффективную модель, которую нашли на квантовом процессоре. Любопытно и удивительно, как оптимизация по одной характеристике модели сохранила другие метрики! планирует провести дополнительные тесты, чтобы лучше понять саму модель».
В ходе эксперимента исследователи вставили кубит — квантовый эквивалент бита в обычных компьютерах на основе кремния — в одну из своих SYK-подобных систем и наблюдали, как информация выходит из другой системы. Информация перемещалась из одной квантовой системы в другую с помощью квантовой телепортации — или, говоря на дополнительном языке гравитации, квантовая информация проходила через проходную червоточину.
«Мы выполнили своего рода квантовую телепортацию, эквивалентную проходимой червоточине в гравитационной картине. Для этого нам пришлось упростить квантовую систему до наименьшего примера, сохраняющего гравитационные характеристики, чтобы мы могли реализовать ее на квантовом процессоре Sycamore в Google. «, — говорит Злокапа.
Соавтор Саманта Дэвис, аспирант Калифорнийского технологического института, добавляет: «Понадобилось очень много времени, чтобы получить результаты, и мы удивили себя результатом».
«Ближайшее значение такого типа экспериментов заключается в том, что гравитационная перспектива обеспечивает простой способ понять загадочное многочастичное квантовое явление», — говорит Джон Прескилл, профессор теоретической физики Ричарда П. Фейнмана в Калифорнийском технологическом институте и директор исследовательского центра. Институт квантовой информации и материи (IQIM). «Что мне показалось интересным в этом новом эксперименте Google, так это то, что с помощью машинного обучения они смогли сделать систему достаточно простой для моделирования на существующей квантовой машине, сохранив при этом разумную карикатуру на то, что предсказывает гравитационная картина».
В исследовании физики сообщают о поведении червоточин, ожидаемом как с точки зрения гравитации, так и с точки зрения квантовой физики. Например, хотя квантовая информация может передаваться через устройство или телепортироваться различными способами, было показано, что экспериментальный процесс эквивалентен, по крайней мере, в некоторых отношениях тому, что могло бы произойти, если бы информация прошла через червоточину. Для этого команда попыталась «подпереть червоточину», используя импульсы либо отрицательной отталкивающей энергии, либо противоположной, положительной энергии. Они наблюдали ключевые признаки проходимой червоточины только тогда, когда применялся эквивалент отрицательной энергии, что согласуется с ожидаемым поведением червоточины.
«Высокая точность квантового процессора, который мы использовали, была очень важна», — говорит Спиропулу. «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!»?
В будущем исследователи надеются распространить эту работу на более сложные квантовые схемы. Хотя до создания полноценных квантовых компьютеров еще далеко, команда планирует продолжить эксперименты такого рода на существующих платформах квантовых вычислений.
«Взаимосвязь между квантовой запутанностью, пространством-временем и квантовой гравитацией — один из самых важных вопросов фундаментальной физики и активная область теоретических исследований», — говорит Спиропулу. «Мы рады сделать этот небольшой шаг к тестированию этих идей на квантовом оборудовании и будем продолжать».
Исследование под названием «Динамика проходимых червоточин на квантовом процессоре» финансировалось Управлением науки Министерства энергетики США в рамках исследовательской программы QCCFP.
Теги: гравитация, ИИ, квант, суперкомпьютер
