Физици създадоха холографска “червеева дупка” с помощта на квантов компютър

Учени от Fermilab в Чикаго и Масачузетския технологичен институт са моделирали „червеева дупка“ на Айнщайн (известна още като пространствено-времеви коридор или червоядина ) с помощта на квантов компютър, която „позволява пътувания“ между различни области на Вселената. Необичайният експеримент на телепортация е представлявал пресъздаване на принципите на квантовата физика и е бил вдъхновен от тунелите в екзотична „ игрова вселена“. Резултатите от изследването са публикувани в списание Nature.

Физиците, участвали в изследването, са използвали квантов компютър, за да осъществят нов вид квантова телепортация, а именно възможността за преместване на квантово състояние между отдалечени едно от друго места, сякаш информацията може да се предава мигновено. Телепортацията е добре утвърдена техника в квантовата технология, но целта на новия експеримент е била да се моделират във виртуална вселена свойствата на пространствено-времеви коридор, известен още като „червеева дупка“.

Участниците в експеримента, смятат, че това е голяма стъпка към използването на конвенционалната квантова физика за изследване на представите ни за абстрактни вселени, където гравитацията и квантовата механика съществуват хармонично. Те твърдят, че квантовите компютри могат да помогнат с разработването на квантова теория за гравитацията в тези „игрови“ вселени , тъй като разработването на подобна теория за нашата Вселена е един от най-важните въпроси, стоящ пред съвременната физика, на който все още няма отговор.

„Това е тест за представите ни за квантовата гравитация в реални лабораторни условия на изпитателен стенд“, обяснява специалиста по физика на елементарните частиците и ръководител на изследването Мария Спиропулу, която работи в Калифорнийския технологичен институт.

Пространствено –времеви тунели

Световноизвестните физици Алберт Айнщайн и Нейтън Розен през 1935 г. за пръв път представят теорията си за пространствено-времевите тунели или „червеевите дупки“. Така те са нарекли проходите в пространствено-времевия континуум, които могат да свързват центровете на черните дупки. Те са изчислили, че по принцип общата теория на относителността на Айнщайн допуска съществуването на такива червоядини. А това от своя страна обяснява гравитацията като следствие изкривяването на пространство-времето.

Тъй като учените са работили с екзотична „игрова“ вселена, те не са моделирали в своето изследване нищо такова, което да е наподобявало „червеевата дупка“, за която Айнщайн и Розен са говорили и която може да съществува в нашата Вселена. Но експериментът с телепортацията в тяхната виртуална система може да се смята за аналог на „червеева дупка“, тъй като става дума за това, че подадената от едната страна на „червеевата дупка“ квантовата информация, се е появила от другата страна.

„Удивителното е не това, че съобщението достигна под някаква форма, а това, че пристигна в правилната последователност“, пишат авторите на изследването, „ Това е напълно разбираемо от гравитационното описание: посланието достига до другата страна в същия вид, тъй като се е премествало през червеевата дупка“.

Екзотичната физика

За провеждането на този експеримент учените са се вдъхновили от по-ранни изследвания, в които те са комбинирали физиката на екзотичните вселени и тяхната собствена версия за гравитацията с по-стандартната, но така или иначе, виртуална квантова система. Основната идея се състояла в това, че от колективните свойства на елементарни квантови частици, живеещи в своеобразен “свят на сенките”, възникват някои абстрактни варианти на пространство-времето. Това е подобно на начина, по който двумерна холограма създава илюзията за 3D изображение. Такова холографско “поведение” определя как възникващото пространство-време се изкривява само в себе си, създавайки ефекта на гравитацията.

Физиците все още не знаят как да опишат квантовите теории за възникващите вселени. Но те знаят, че подобни явления трябва да бъдат отразени във физиката на гореспоменатия „свят на сенките“. Това означава, че такива гравитационни явления като черните дупки, които все още са мистерия за теоретичната физика, както и червеевите дупки, не противоречат на квантовата теория.

Новият експеримент е бил проведен по схема, предложена през 2017 г. от физика в Харвардския университет в Кеймбридж, Масачузетс, Даниел Джаферис и неговите колеги. Основното внимание в тази работа е било отделено на най-простия модел на холографска кореспонденция SYK (наречен на инициалите на неговите създатели). В подобна „игрова“ моделирана вселена пространството няма три измерения, а само едно.

В новото изследване Джаферис и неговите колеги са моделирали още по-опростена версия на такава холограма, използвайки квантовите битове (кюбити) на процесора Sycamore на Google. Те са разчитали, че моделираните от тях квантови частици ще възпроизведат определени характеристики на гравитацията във виртуалната вселена. В изследването си те били ограничени от възможностите на съвременните квантови компютри.

„Ние трябваше да намерим модел, който запазва свойствата на гравитацията и който ние можем да кодираме на квантов процесор с ограничен брой кюбити, – каза Мария Спиропулу. „Създадохме миниатюрен модел и го тествахме дали поддържа гравитационната динамика.“

„Преди началото на работата по проекта не беше ясно дали система с толкова малък брой кюбити може да демонстрира този феномен“, добавя Джаферис.

Учените смятат, че тази посока на изследванията е многообещаващ път към разработване на квантова теория за гравитацията за нашата Вселена. Но техни опоненти смятат,че това е задънена улица. Например математикът от Масачузетския технологичен институт Питър Шор споделя, че тестваната в лабораторията на Google теория „има прекалено косвено отношение към всякакви възможни теории за квантовата гравитация в нашата Вселена“.