Een kwantumexperiment om de dynamiek van een wormgat te observeren

Wormgaten zijn paden door ruimte-tijd die twee verre plaatsen met elkaar verbinden. Hoewel niet experimenteel waargenomen, theoretiseren wetenschappers al bijna een eeuw over hun bestaan ​​en eigenschappen. Het idee dat wormgaten hebben KwantumfysicaConcreet kan verstrengeling een verband hebben dat voor het eerst werd gesuggereerd in theoretisch onderzoek in 2013. Natuurkundigen hebben gespeculeerd dat wormgaten het equivalent waren van verstrengeling.

Later in 2017 werd het idee van de verstrengeling van wormgaten uitgebreid naar niet alleen wormgaten, maar doorkruisbare wormgaten. Wetenschappers stellen zich een scenario voor waarin een wormgat lang genoeg open wordt gehouden om iets van het ene uiteinde naar het andere te laten gaan door negatieve afstotende energie. Wetenschappers hebben aangetoond dat de methode van kwantumteleportatie overeenkomt met de beschrijving van de zwaartekracht van wat kan worden doorkruist wormachtig. Informatie wordt door de ruimte verzonden met behulp van de principes van kwantumverstrengeling Quantum teleportatie. Dit protocol is experimenteel bewezen over grote afstanden door glasvezel en door de lucht.

Nieuw werk van Californisch Instituut voor Technologie Het onderzoekt de gelijkwaardigheid van wormgaten met kwantumteleportatie. Voor het eerst hebben wetenschappers een kwantumexperiment ontwikkeld waarmee ze de dynamiek of het gedrag van een bepaald theoretisch wormgat kunnen bestuderen.

In plaats van een echt wormgat te produceren, wat een kloof is in ruimte en tijd, stelt het experiment wetenschappers in staat om de relaties tussen theoretische wormgaten en kwantumfysica te onderzoeken, een voorspelling van wat bekend staat als Quantum zwaartekracht.

Wetenschappers voerden de eerste experimenten uit die het idee hiervan verkenden Reisinformatie Van het ene punt in de ruimte naar het andere kan worden beschreven in de taal van de zwaartekracht (wormgaten) of de taal van de kwantumfysica (kwantumverstrengeling).

Maria Spiropolou, hoofdonderzoeker van het Amerikaanse Department of Energy’s Science Research Program, Quantum Communication Channels for Fundamental Physics (QCCFP) en Shang-Yi Ch’en hoogleraar natuurkunde aan Caltech, zei: “We hebben een kwantumsysteem gevonden dat de belangrijkste eigenschappen van een zwaartekrachtwormgat vertoont, maar klein genoeg is om te worden toegepast op bestaande kwantumapparaten. Dit werk vormt een stap in de richting van een groter programma voor het testen van kwantumzwaartekrachtfysica met behulp van een kwantumcomputer. Het doet dat niet vervang directe sondes van kwantumzwaartekracht op dezelfde manier als andere geplande experimenten die zijn uitgevoerd.” .”

In deze studie gebruikten natuurkundigen een SYK-achtig model van kinderen dat was opgezet om de eigenschappen van de zwaartekracht te behouden. Ze observeerden de wormgatdynamiek op een kwantumapparaat bij Google, namelijk de Sycamore-kwantumprocessor. Het team gebruikte machine learning-technieken op conventionele computers om van het SYK-model een schaalmodel te maken.

Spiropolo zei, We hebben leertechnieken gebruikt om een ​​eenvoudig SYK-achtig kwantumsysteem te vinden en voor te bereiden dat kan worden gecodeerd in bestaande kwantumarchitecturen en dat de zwaartekrachteigenschappen behoudt. Met andere woorden, we vereenvoudigden de microscopische beschrijving van het SYK-kwantumsysteem en bestudeerden het resulterende effectieve model dat we vonden in een kwantumprocessor. Het is vreemd en verrassend dat het verbeteren van een van de eigenschappen van het model de andere statistieken kan behouden! We hebben plannen voor meer tests om beter inzicht te krijgen in het model zelf.”

De wetenschappers stopten een qubit in een van de SYK-achtige systemen en keken hoe informatie uit het andere systeem kwam. Met kwantumteleportatie kan informatie van het ene kwantumsysteem naar het andere gaan; In plaats daarvan, in de taal van de zwaartekracht, stroomt kwantuminformatie door een doorkruisbaar wormgat.

Alexander Zlokaba (BS ’21), een voormalige Caltech-student, zei: We hebben een soort kwantumteleportatie-equivalent uitgevoerd van een doorkruisbaar wormgat in zwaartekrachtvorm. Om dit te doen, moesten we het kwantumsysteem vereenvoudigen tot het kleinste voorbeeld dat de eigenschappen van de zwaartekracht behoudt voor implementatie op een Sycamore-kwantumprocessor De Google. “

Co-auteur Samantha Davis, een afgestudeerde student aan Caltech, voegt toe: “Het duurde lang voordat we resultaten kregen en we verrasten onszelf met het resultaat.”

John Preskill, Caltech hoogleraar theoretische fysica en directeur van het Institute for Quantum Information and Matter (IQIM), Richard P. Feynman, zei: “Het belang van dit type experiment op korte termijn is dat het zwaartekrachtperspectief een eenvoudige manier biedt om een ​​mysterieus kwantumfenomeen met meerdere deeltjes te begrijpen. Wat ik interessant vond aan dit nieuwe Google-experiment, is dat ze door machine learning het systeem kunnen maken eenvoudig genoeg om te simuleren op een bestaande kwantummachine met Keep a good cartoon van wat de zwaartekracht voorspelt.”

In het werk beschrijven natuurkundigen gatengedrag dat wordt voorspeld door de kwantumtheorie en de zwaartekracht. Ondanks het feit dat kwantuminformatie op veel verschillende manieren door het apparaat kan worden verzonden of verzonden, is aangetoond dat de experimentele procedure op zijn minst enigszins lijkt op wat er zou gebeuren als de informatie door een wormgat zou gaan.

Wetenschappers probeerden dit te bereiken door tegengestelde, positieve energiepulsen of afstotende negatieve energiepulsen te gebruiken om “de opening van het wormgat te ondersteunen”. Pas toen het equivalent van negatieve energie werd gebruikt, merkten ze de kenmerken op van een doorkruisbaar wormgat, wat consistent is met hoe wormgaten geacht worden te werken.

spiropolo Hij zeiEn de “De hoge precisie van de kwantumprocessor die we gebruikten was essentieel. Als de foutpercentages 50 procent hoger waren, zou het signaal volledig worden verduisterd. Als ze half zo groot waren, zouden we tien keer zoveel signaal hebben!”

De relatie tussen kwantumverstrengeling, ruimte-tijd en kwantumzwaartekracht is een van de belangrijkste vragen in de fundamentele natuurkunde en een actief gebied van theoretisch onderzoek. We zijn verheugd om deze kleine stap te zetten in de richting van het testen van deze ideeën op kwantumapparaten en zullen dit blijven doen. “

Tijdschriftreferentie:

1. Daniel Jaffris, Alexander Zlokaba, Joseph D. Leeken, David K. Kolchmeier, Samantha I. Davies, Nikolai Lacke, Hartmut Nevin, Maria Spiropolou. Dynamiek van doorkruisbare wormgaten op een kwantumprocessor. natuur, 2022; 612 (7938): 51 DOI: 10.1038 / s41586-022-05424-3