Hebben natuurkundigen een wormgat in een kwantumcomputer gemaakt?

Natuurkundigen hebben een kwantumcomputer gebruikt om een ​​nieuw type kwantumteleportatie uit te voeren, het vermogen van kwantumtoestanden om tussen verre plaatsen te teleporteren, alsof informatie onmiddellijk kan worden verzonden. Hoewel teleportatie een gevestigde techniek is in de kwantumtechnologie, was het doel van het nieuwste experiment om het gedrag te simuleren van een passage die een “wormgat” wordt genoemd door een virtuele wereld.

De onderzoekers achter het experiment beschreven in natuur Op 30 november¹, stel dat het een stap is in de richting van het gebruik van gewone kwantumfysica om ideeën te onderzoeken over abstracte universums waar zwaartekracht en kwantummechanica harmonieus lijken samen te werken. Kwantumcomputers kunnen helpen bij het ontwikkelen van een kwantumtheorie van de zwaartekracht in deze ‘speelgoed’-universums (de ontwikkeling van een kwantumtheorie van de zwaartekracht voor ons universum is een van de grootste open vragen in de natuurkunde). “Het is een test van de ideeën van kwantumzwaartekracht op een echte, experimentele laboratoriumtest”, zegt Maria Spiropolo, een deeltjesfysicus bij Caltech, die de studie leidde.

Tunnels in de ruimtetijd

Natuurkundigen Albert Einstein en Nathan Rosen stelden in 1935 het idee van wormgaten voor – passages door ruimte-tijd die de centra van zwarte gaten zouden kunnen verbinden. Ze berekenden dat wormgaten in principe zijn toegestaan ​​door Einsteins algemene relativiteitstheorie, wat verklaart zwaartekracht als krommingseffect ruimtetijd. (Natuurkundigen realiseerden zich al snel dat zelfs als er wormgaten bestonden, het onwaarschijnlijk was dat ze zoiets als de interstellaire reizen in sciencefiction zouden toestaan.)

Omdat ze samenwerkten met een buitenaardse spelwetenschapper, simuleerde het laatste onderzoek niet zoiets als het type wormgat dat Einstein en Rosen voor ogen hadden en dat mogelijk in ons universum zou kunnen bestaan. Maar hun teleportatie-experiment zou kunnen worden geïnterpreteerd als analoog aan een wormgat in hun hypothetische systeem – kwantuminformatie die aan de ene kant van het “wormgat” van de onderzoekers werd ingevoerd, verscheen aan de andere kant.

Auteurs schreven Begeleidend nieuws- en opinieartikel. “Dit kan echter gemakkelijk worden begrepen uit de beschrijving van de zwaartekracht: het bericht komt aan de andere kant niet goed aan omdat het het wormgat is gepasseerd.”

Vreemde fysica

Het experiment was geïnspireerd op eerder onderzoek dat de fysica van buitenaardse universums en hun eigen versie van de zwaartekracht koppelde aan een meer standaard – maar nog steeds hypothetisch – kwantumsysteem. Het belangrijkste idee is dat een of andere abstracte versie van ruimte-tijd voortkomt uit het collectieve gedrag van gewone kwantumdeeltjes die in een soort ‘schaduwwereld’ leven – vergelijkbaar met hoe een tweedimensionaal hologram de illusie van een driedimensionaal beeld kan creëren. . Dat “holografisch” gedrag Het dicteert hoe de opkomende ruimte-tijdcurve zichzelf omkeert, waardoor zwaartekrachteffecten ontstaan.

Hoewel natuurkundigen nog niet weten hoe ze kwantumzwaartekrachttheorieën rechtstreeks voor opkomende universums moeten schrijven, weten ze wel dat dergelijke fenomenen volledig moeten worden ingekapseld in de fysica van de schaduwwereld. Dit betekent dat zwaartekrachtfenomenen zoals zwarte gaten – die nog steeds mysteries vormen voor theoretische natuurkundigen – of wormgaten verenigbaar moeten zijn met de kwantumtheorie.

Het nieuwste experiment volgt een schema dat in 2017 is voorgesteld door co-auteur Daniel Javris, een theoretisch natuurkundige aan de Harvard University in Cambridge, Massachusetts, en zijn medewerkers.². Dit werk concentreerde zich op de eenvoudigste holografische correspondentie, bekend als SYK naar de initialen van de makers. In de wereld van dit spelmodel heeft de ruimte maar één dimensie in plaats van drie.

In de laatste studie simuleerden Jafferis en zijn collega’s een meer abstracte versie van zo’n hologram met behulp van de kwantumbits of qubits van de Sycamore-processor van Google. Ze verwachtten dat gesimuleerde kwantumdeeltjes een deel van het zwaartekrachtgedrag in het virtuele universum zouden reproduceren, maar ze werden beperkt door de mogelijkheden van de huidige kwantumcomputers. “We moesten een model vinden dat de eigenschappen van de zwaartekracht behoudt en een kwantumprocessor kan coderen die een eindige hoeveelheid qubits heeft”, zegt Maria Spiropoulou, een deeltjesfysicus bij Caltech, die de studie leidde. “We hebben het teruggebracht tot een babymodel en hebben geverifieerd dat het de zwaartekrachtdynamiek behoudt.”

“Voordat we aan dit project werkten, was het niet duidelijk dat een systeem met zo’n klein aantal qubits dit fenomeen zou kunnen vertonen”, voegt Jafferis toe.

Sommige onderzoekers geloven dat deze onderzoekslijn een veelbelovend pad is voor het ontwikkelen van een kwantumtheorie van de zwaartekracht voor ons universum, hoewel anderen het als een doodlopende weg zien. De theorie die in het laboratorium van Google is getest “heeft slechts een zeer tangentiële relatie met alle mogelijke theorieën over kwantumzwaartekracht in ons universum”, zegt Peter Shore, een wiskundige aan het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge.