Physiker erschaffen mit einem Quantencomputer ein Wurmloch

Physiker haben angeblich das allererste Wurmloch geschaffen, eine Art Tunnel, der 1935 von Albert Einstein und Nathan Rosen theoretisiert wurde und von einem Ort zum anderen führt, indem er in eine zusätzliche Dimension des Weltraums gelangt.

Das Wurmloch entstand wie ein Hologramm aus Quanteninformationen oder „Qubits“, die in winzigen supraleitenden Schaltkreisen gespeichert sind. Durch Manipulation der Qubits schickten die Physiker dann Informationen durch das Wurmloch, sie heute berichtet in der Zeitschrift Natur.

Das Team, angeführt von Maria Spiropulu vom California Institute of Technology, implementierte das neuartige „Wurmloch-Teleportationsprotokoll“ mit dem Quantencomputer von Google, einem Gerät namens Sycamore, das bei Google Quantum AI in Santa Barbara, Kalifornien, untergebracht ist. Mit diesem einzigartigen „Quantengravitationsexperiment auf einem Chip“, wie Spiropulu es beschrieb, schlugen sie und ihr Team eine konkurrierende Gruppe von Physikern die darauf abzielen, Wurmloch-Teleportation zu machen mit den Quantencomputern von IBM und Quantinuum.

Als Spiropulu die Schlüsselsignatur sah, die anzeigte, dass Qubits durch das Wurmloch gingen, sagte sie: „Ich war erschüttert.“

Das Experiment kann als Beweis für das holographische Prinzip gewertet werden, eine pauschale Hypothese darüber, wie die beiden Säulen der fundamentalen Physik, Quantenmechanik und Allgemeine Relativitätstheorie, zusammenpassen. Physiker haben sich seit den 1930er Jahren bemüht, diese unzusammenhängenden Theorien in Einklang zu bringen – die eine, ein Regelbuch für Atome und subatomare Teilchen, die andere, Einsteins Beschreibung, wie Materie und Energie das Raum-Zeit-Gefüge krümmen und Schwerkraft erzeugen. Das holografische Prinzip, das seit den 1990er Jahren auf dem Vormarsch ist, postuliert eine mathematische Äquivalenz oder „Dualität“ zwischen den beiden Rahmen. Es besagt, dass das biegsame Raum-Zeit-Kontinuum, das von der Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben wird, in Wirklichkeit ein Quantensystem von verkleideten Teilchen ist. Raumzeit und Schwerkraft entstehen aus Quanteneffekten ähnlich wie ein 3D-Hologramm aus einem 2D-Muster herausragt.

Tatsächlich bestätigt das neue Experiment, dass Quanteneffekte, wie wir sie in einem Quantencomputer steuern können, ein Phänomen hervorrufen können, das wir in der Relativitätstheorie erwarten – ein Wurmloch. Das sich entwickelnde System von Qubits im Sycamore-Chip „hat diese wirklich coole alternative Beschreibung“, sagte er John Preskill, ein theoretischer Physiker am Caltech, der nicht an dem Experiment beteiligt war. „Man kann sich das System in einer ganz anderen Sprache als gravitativ vorstellen.“

Anders als bei einem gewöhnlichen Hologramm ist das Wurmloch nichts, was wir sehen können. Während es laut Co-Autor als „ein Filament der realen Raumzeit“ betrachtet werden kann Daniel Jafferis von der Harvard University, Hauptentwickler des Wurmloch-Teleportationsprotokolls, ist es nicht Teil derselben Realität, in der wir und der Sycamore-Computer leben. Das holografische Prinzip besagt, dass die beiden Realitäten – die mit dem Wurmloch und die mit den Qubits – alternative Versionen derselben Physik sind, aber wie man diese Art von Dualität konzeptualisiert, bleibt mysteriös.

Über die grundsätzlichen Implikationen des Ergebnisses werden die Meinungen auseinandergehen. Entscheidend ist, dass das holografische Wurmloch im Experiment aus einer anderen Art von Raumzeit besteht als die Raumzeit unseres eigenen Universums. Es ist fraglich, ob das Experiment die Hypothese stützt, dass die Raumzeit, in der wir leben, ebenfalls holographisch ist und durch Quantenbits strukturiert ist.

„Ich denke, es stimmt, dass die Schwerkraft in unserem Universum aus einigen Quantenbits hervorgeht, genauso wie dieses kleine eindimensionale Baby-Wurmloch aus dem Sycamore-Chip hervorgeht“, sagte Jafferis. „Das wissen wir natürlich nicht genau. Wir versuchen, es zu verstehen.“

Ins Wurmloch

Die Geschichte des holografischen Wurmlochs geht auf zwei scheinbar nicht zusammenhängende Arbeiten zurück, die 1935 veröffentlicht wurden: dank One von Einstein und Rosen, bekannt als ER, die andere von den beiden und Boris Podolsky, bekannt als EPR. Sowohl die ER- als auch die EPR-Papiere wurden zunächst als Randwerke des großen E beurteilt. Das hat sich geändert.

In dem ER-Artikel stolperten Einstein und sein junger Assistent Rosen über die Möglichkeit von Wurmlöchern, als sie versuchten, die allgemeine Relativitätstheorie zu einer einheitlichen Theorie von allem auszudehnen – eine Beschreibung nicht nur der Raumzeit, sondern auch der darin schwebenden subatomaren Teilchen. Sie hatten sich auf Haken im Raum-Zeit-Gefüge konzentriert, die der deutsche Physiker und Soldat Karl Schwarzschild 1916 in den Falten der Allgemeinen Relativitätstheorie gefunden hatte, nur wenige Monate nachdem Einstein die Theorie veröffentlicht hatte. Schwarzschild zeigte, dass sich Masse durch Gravitation so stark anziehen kann, dass sie an einem Punkt unendlich konzentriert wird, wodurch die Raumzeit dort so stark gekrümmt wird, dass Variablen unendlich werden und Einsteins Gleichungen versagen. Wir wissen jetzt, dass diese „Singularitäten“ im ganzen Universum existieren. Es sind Punkte, die wir weder beschreiben noch sehen können, jeder versteckt im Zentrum eines Schwarzen Lochs, das alles Licht in der Nähe gravitativ einfängt. Singularitäten sind dort, wo eine Quantentheorie der Gravitation am dringendsten benötigt wird.

Einstein und Rosen spekulierten, dass Schwarzschilds Mathematik eine Möglichkeit sein könnte, Elementarteilchen in die allgemeine Relativitätstheorie einzufügen. Damit das Bild funktioniert, schnitten sie die Singularität aus seinen Gleichungen heraus und tauschten neue Variablen ein, die den scharfen Punkt durch eine extradimensionale Röhre ersetzten, die in einen anderen Teil der Raumzeit gleitet. Einstein und Rosen argumentierten falsch, aber vorausschauend, dass diese „Brücken“ (oder Wurmlöcher) Teilchen darstellen könnten.

Ironischerweise berücksichtigte das Duo bei dem Versuch, Wurmlöcher und Partikel zu verbinden, nicht das seltsame Partikelphänomen, das sie zwei Monate zuvor mit Podolsky in der EPR-Studie identifiziert hatten: Quantenverschränkung.

Verschränkung entsteht, wenn zwei Teilchen interagieren. Nach Quantenregeln können Teilchen mehrere mögliche Zustände gleichzeitig haben. Dies bedeutet, dass eine Wechselwirkung zwischen Partikeln mehrere mögliche Ergebnisse hat, je nachdem, in welchem ​​​​Zustand sich jedes Partikel zu Beginn befindet. Ihre resultierenden Zustände werden jedoch immer verknüpft sein – wie Teilchen A endet, hängt davon ab, wie Teilchen B ausfällt. Nach einer solchen Wechselwirkung haben die Partikel eine gemeinsame Formel, die die verschiedenen kombinierten Zustände angibt, in denen sie sich befinden könnten.

Die schockierende Konsequenz, die die EPR-Autoren an der Quantentheorie zweifeln ließ, ist „gespenstische Fernwirkung“, wie Einstein es ausdrückte: Das Messen von Teilchen A (das eine Realität aus seinen Möglichkeiten herauspickt) entscheidet sofort über den entsprechenden Zustand von B, Egal wie weit B entfernt ist.

Die wahrgenommene Bedeutung der Verschränkung ist sprunghaft angestiegen, seit Physiker in den 1990er Jahren entdeckten, dass sie neue Arten von Berechnungen ermöglicht. Die Verschränkung zweier Qubits – Quantenobjekte wie Teilchen, die in zwei möglichen Zuständen existieren, 0 und 1 – ergibt vier mögliche Zustände mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten (0 und 0, 0 und 1, 1 und 0 und 1 und 1). Drei Qubits ergeben acht simultane Möglichkeiten und so weiter; Die Leistung eines „Quantencomputers“ wächst exponentiell mit jedem weiteren verschränkten Qubit. Orchestrieren Sie die Verschränkung geschickt, und Sie können alle Kombinationen von Nullen und Einsen aufheben, mit Ausnahme der Folge, die die Antwort auf eine Berechnung gibt. Prototypen von Quantencomputern aus einigen Dutzend Qubits sind in den letzten Jahren entstanden, angeführt von Googles 0-Qubit-Maschine Sycamore.

Inzwischen haben Quantengravitationsforscher die Quantenverschränkung aus einem anderen Grund fixiert: als möglichen Quellcode des Raum-Zeit-Hologramms.

ER = EPR

Die Rede von entstehender Raumzeit und Holographie begann Ende der 1980er Jahre, nachdem der Theoretiker des Schwarzen Lochs, John Wheeler, die Ansicht verbreitete, dass die Raumzeit und alles darin aus Informationen entstehen könnte. Bald fragten sich andere Forscher, darunter der niederländische Physiker Gerard 't Hooft, ob diese Entstehung der Projektion eines Hologramms ähneln könnte. Beispiele waren in Studien zu Schwarzen Löchern und in der Stringtheorie aufgetaucht, wo eine Beschreibung eines physikalischen Szenarios in eine ebenso gültige Ansicht davon mit einer zusätzlichen räumlichen Dimension übersetzt werden konnte. In einer Veröffentlichung von 1994 mit dem Titel „Die Welt als Hologramm" Leonard Süßkind, ein Theoretiker der Quantengravitation an der Stanford University, konkretisierte das holographische Prinzip von 't Hooft und argumentierte, dass ein Volumen gebogener Raumzeit, das durch die allgemeine Relativitätstheorie beschrieben wird, einem System von Quantenteilchen auf der niedrigeren Dimension der Region entspricht oder „dual“ ist Grenze.

Ein bedeutsames Beispiel für Holographie kam drei Jahre später. Juan Maldacena, ein Quantengravitationstheoretiker, jetzt am Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey, entdeckt dass eine Art Raum namens Anti-de-Sitter (AdS)-Raum tatsächlich ein Hologramm ist.

Das eigentliche Universum ist de Sitter-Raum, eine ständig wachsende Sphäre, die von ihrer eigenen positiven Energie nach außen getrieben wird. Im Gegensatz dazu ist der AdS-Raum mit negativer Energie durchdrungen – resultierend aus einem Unterschied im Vorzeichen einer Konstante in den Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie – was dem Raum eine „hyperbolische“ Geometrie verleiht: Objekte schrumpfen, wenn sie sich von der Mitte des Raums nach außen bewegen, wird an einer äußeren Grenze infinitesimal. Maldacena zeigte, dass Raumzeit und Schwerkraft innerhalb eines AdS-Universums genau den Eigenschaften eines Quantensystems an der Grenze entsprechen (insbesondere eines Systems, das als konforme Feldtheorie oder CFT bezeichnet wird).

Maldacenas bombastischer Artikel von 1997, der diese „AdS/CFT-Korrespondenz“ beschreibt, wurde in nachfolgenden Studien 22,000 Mal zitiert – mehr als zweimal am Tag im Durchschnitt. „Der Versuch, auf AdS/CFT basierende Ideen zu nutzen, ist seit Jahrzehnten das Hauptziel von Tausenden der besten Theoretiker“, sagte er Peter Woit, ein mathematischer Physiker an der Columbia University.

Als Maldacena selbst seine AdS/CFT-Karte zwischen dynamischer Raumzeit und Quantensystemen erforschte, machte er eine neue Entdeckung über Wurmlöcher. Er untersuchte ein bestimmtes Verschränkungsmuster, an dem zwei Sätze von Teilchen beteiligt waren, wobei jedes Teilchen eines Satzes mit einem Teilchen des anderen verschränkt war. Maldacena zeigte dass dieser Zustand mathematisch dual zu einem ziemlich dramatischen Hologramm ist: einem Paar schwarzer Löcher im AdS-Raum, deren Inneres über ein Wurmloch verbunden ist.

Ein Jahrzehnt musste vergehen, bevor Maldacena im Jahr 2013 (unter Umständen, „an die ich mich ehrlich gesagt nicht erinnere“, wie er sagt) erkannte, dass seine Entdeckung eine allgemeinere Übereinstimmung zwischen Quantenverschränkung und Verbindung über ein Wurmloch bedeuten könnte. Er prägte eine kryptische kleine Gleichung – ER = EPR – in einer E-Mail an Susskind, die sofort verstand. Die beiden schnell entwickelte die Vermutung zusammen und schreiben: „Wir argumentieren, dass die Einstein-Rosen-Brücke zwischen zwei Schwarzen Löchern durch EPR-ähnliche Korrelationen zwischen den Mikrozuständen der beiden Schwarzen Löcher erzeugt wird“, und dass die Dualität allgemeiner sein könnte: „Es ist sehr verlockend denken, dass jedem Das EPR-korrelierte System ist durch eine Art ER-Brücke verbunden.“

Vielleicht verbindet ein Wurmloch jedes verschränkte Partikelpaar im Universum und schmiedet eine räumliche Verbindung, die ihre gemeinsame Geschichte aufzeichnet. Vielleicht war Einsteins Vermutung richtig, dass Wurmlöcher mit Teilchen zu tun haben.

Eine stabile Brücke

Als Jafferis Maldacenas Vortrag über ER = EPR auf einer Konferenz im Jahr 2013 hörte, erkannte er, dass die vermutete Dualität es Ihnen ermöglichen sollte, maßgeschneiderte Wurmlöcher zu entwerfen, indem Sie das Verschränkungsmuster maßschneidern.

Standard-Einstein-Rosen-Brücken sind für Sci-Fi-Fans überall eine Enttäuschung: Wenn sich eine bilden würde, würde sie schnell unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammenbrechen und abklemmen, lange bevor ein Raumschiff oder irgendetwas anderes durchkommen könnte. Aber Jafferis stellte sich vor, einen Draht oder eine andere physische Verbindung zwischen den beiden Sätzen verwickelter Partikel zu ziehen, die die beiden Münder eines Wurmlochs kodieren. Bei dieser Art der Kopplung würde das Einwirken auf die Partikel auf der einen Seite Veränderungen an den Partikeln auf der anderen Seite hervorrufen und vielleicht das Wurmloch zwischen ihnen öffnen. „Könnte es sein, dass das Wurmloch durchquerbar ist?“ Jafferis erinnert sich, sich gewundert zu haben. Seit seiner Kindheit von Wurmlöchern fasziniert – ein Wunderkind der Physik, begann er mit 14 an der Yale University – ging Jafferis der Frage „fast zum Spaß“ nach.

Zurück in Harvard, er und Ping-Gao, sein damaliger Doktorand, und Aron Wand, damals ein Gastforscher, berechnete schließlich, dass man durch die Kopplung zweier Sätze verschränkter Teilchen tatsächlich eine Operation am linken Satz durchführen kann, die im dualen, höherdimensionalen Raum-Zeit-Bild die Wurmlochführung offen hält zum rechten Mund und schiebt ein Qubit durch.

Jafferis, Gao und Walls 2016 Entdeckung dieses holografischen, passierbaren Wurmlochs gab den Forschern ein neues Fenster in die Mechanik der Holografie. „Die Tatsache, dass man am Ende durchkommen kann, wenn man von außen die richtigen Dinge tut, bedeutet auch, dass man in das Wurmloch sehen kann“, sagte Jafferis. „Das bedeutet, dass es möglich ist, diese Tatsache zu untersuchen, dass zwei verschränkte Systeme durch eine zusammenhängende Geometrie beschrieben werden.“

Innerhalb weniger Monate hatten Maldacena und zwei Kollegen auf dem Schema aufgebaut, indem sie zeigten, dass das durchquerbare Wurmloch in einer einfachen Umgebung realisiert werden konnte – „ein Quantensystem, das so einfach ist, dass wir es uns vorstellen können“, sagte Jafferis.

Das SYK-Modell, wie es genannt wird, ist ein System von Materieteilchen, die in Gruppen und nicht in den üblichen Paaren interagieren. Erstmals 1993 von Subir Sachdev und Jinwu Ye beschrieben, war das Modell ab 2015 plötzlich viel wichtiger, als der theoretische Physiker Alexei Kitajew entdeckt, dass es holographisch ist. Bei einem Vortrag in jenem Jahr in Santa Barbara, Kalifornien, füllte Kitaev (der zum K in SYK wurde) mehrere Tafeln mit Beweisen dafür, dass die spezielle Version des Modells, in der Materieteilchen in Vierergruppen interagieren, mathematisch auf ein eindimensionales Schwarz abgebildet werden kann Loch im AdS-Raum, mit identischen Symmetrien und anderen Eigenschaften. „Einige Antworten sind in beiden Fällen gleich“, sagte er einem begeisterten Publikum. Maldacena saß in der ersten Reihe.

Die Punkte verbinden, Maldacena und Co-Autoren vorgeschlage dass zwei miteinander verbundene SYK-Modelle die beiden Mündungen von Jafferis, Gao und Walls durchquerbarem Wurmloch kodieren könnten. Jafferis und Gao liefen mit der Annäherung. Bis 2019 fanden sie ihren Weg dorthin ein konkretes Rezept zum Teleportieren eines Informations-Qubits von einem System vierfach wechselwirkender Teilchen zu einem anderen. Das Rotieren der Spinrichtungen aller Partikel führt im dualen Raum-Zeit-Bild zu einer Schockwelle mit negativer Energie, die durch das Wurmloch fegt und das Qubit nach vorne und zu einem vorhersehbaren Zeitpunkt aus dem Mund schleudert.

„Das Wurmloch von Jafferis ist die erste konkrete Realisierung von ER = EPR, wo er zeigt, dass die Beziehung genau für ein bestimmtes System gilt“, sagte er Alex Zlokapa, ein Doktorand am Massachusetts Institute of Technology und Co-Autor des neuen Experiments.

Wurmloch im Labor

Während sich die theoretische Arbeit entwickelte, dachte Maria Spiropulu, eine versierte experimentelle Teilchenphysikerin, die 2012 an der Entdeckung des Higgs-Bosons beteiligt war, darüber nach, wie man im Entstehen begriffene Quantencomputer für holografische Quantengravitationsexperimente verwenden könnte. 2018 überredete sie Jafferis, sich ihrem wachsenden Team anzuschließen, zusammen mit Forschern von Google Quantum AI – den Hütern des Sycamore-Geräts.

Um das Wurmloch-Teleportationsprotokoll von Jafferis und Gao auf dem hochmodernen, aber immer noch kleinen und fehleranfälligen Quantencomputer auszuführen, musste Spiropulus Team das Protokoll stark vereinfachen. Ein vollständiges SYK-Modell besteht aus praktisch unendlich vielen Teilchen, die mit zufälligen Stärken aneinander gekoppelt sind, da durchgehend Vierwege-Wechselwirkungen auftreten. Dies ist nicht kalkulierbar; Selbst die Verwendung aller rund 50 verfügbaren Qubits hätte Hunderttausende von Schaltungsoperationen erfordert. Die Forscher machten sich daran, ein holografisches Wurmloch mit nur sieben Qubits und Hunderten von Operationen zu erstellen. Dazu mussten sie das Sieben-Teilchen-SYK-Modell „sparsifizieren“, indem sie nur die stärksten Vierwege-Wechselwirkungen codierten und den Rest ausließen, während die holografischen Eigenschaften des Modells beibehalten wurden. „Es hat ein paar Jahre gedauert, bis wir einen cleveren Weg gefunden haben“, sagte Spiropulu.

Ein Erfolgsgeheimnis war Zlokapa, ein verwahrloster Orchesterjunge, der sich als Caltech-Student der Forschungsgruppe von Spiropulu anschloss. Als begabter Programmierer bildete Zlokapa die Partikelinteraktionen des SYK-Modells auf die Verbindungen zwischen Neuronen eines neuronalen Netzwerks ab und trainierte das System darauf, so viele Netzwerkverbindungen wie möglich zu löschen und gleichzeitig eine wichtige Wurmlochsignatur zu bewahren. Das Verfahren reduzierte die Anzahl der Vier-Wege-Interaktionen von Hunderten auf fünf.

Damit begann das Team mit der Programmierung der Qubits von Sycamore. Sieben Qubits kodieren 14 Materieteilchen – jeweils sieben im linken und rechten SYK-System, wobei jedes Teilchen auf der linken Seite mit einem auf der rechten Seite verschränkt ist. Ein achtes Qubit, in einer probabilistischen Kombination der Zustände 0 und 1, wird dann mit einem der Partikel aus dem linken SYK-Modell ausgetauscht. Die möglichen Zustände dieses Qubits vermischen sich schnell mit den Zuständen der anderen Teilchen auf der linken Seite und verteilen seine Informationen gleichmäßig unter ihnen wie ein Tropfen Tinte im Wasser. Dies ist holografisch dual zu dem Qubit, das in den linken Mund eines eindimensionalen Wurmlochs im AdS-Raum eintritt.

Dann kommt die große Rotation aller Qubits, dual zu einem Impuls negativer Energie, der durch das Wurmloch strömt. Durch die Rotation wird das injizierte Qubit auf die Partikel des rechten SYK-Modells übertragen. Dann entfaltet sich die Information, sagte Preskill, „wie Chaos, das rückwärts läuft“, und konzentriert sich erneut auf die Stelle eines einzelnen Partikels auf der rechten Seite – den verstrickten Partner des linken Partikels, der ausgetauscht wurde. Dann werden alle Zustände der Qubits gemessen. Das Zählen von Nullen und Einsen über viele experimentelle Durchläufe und das Vergleichen dieser Statistiken mit dem vorbereiteten Zustand der injizierten Qubits zeigt, ob Qubits herüberteleportieren.

Die Forscher suchen nach einem Peak in den Daten, der einen Unterschied zwischen zwei Fällen darstellt: Wenn sie den Peak sehen, bedeutet dies, dass Qubit-Rotationen, die dual zu Impulsen mit negativer Energie sind, es Qubits ermöglichen, sich zu teleportieren, während Rotationen in die entgegengesetzte Richtung dies tun Dual zu Impulsen normaler, positiver Energie, lassen Sie keine Qubits durch. (Stattdessen schließen sie das Wurmloch.)

Eines Nachts im Januar, nach zwei Jahren schrittweiser Verbesserungen und Bemühungen zur Lärmreduzierung, führte Zlokapa das fertige Protokoll über Sycamore aus der Ferne von seinem Kinderzimmer in der San Francisco Bay Area aus, wo er nach seinem ersten Semester an der Graduiertenschule die Winterferien verbrachte .

Der Gipfel erschien auf seinem Computerbildschirm.

„Es wurde immer schärfer und schärfer“, sagte er. „Ich schickte Screenshots des Gipfels an Maria und wurde sehr aufgeregt und schrieb: ‚Ich glaube, wir sehen jetzt ein Wurmloch.'“ Der Gipfel war „das erste Anzeichen dafür, dass man die Schwerkraft auf einem Quantencomputer sehen konnte.“

Spiropulu sagt, sie konnte den sauberen, ausgeprägten Gipfel, den sie sah, kaum glauben. „Es war sehr ähnlich wie damals, als ich die ersten Daten für die Higgs-Entdeckung sah“, sagte sie. „Nicht, weil ich es nicht erwartet hätte, aber es kam mir zu sehr ins Gesicht.“

Überraschenderweise entdeckten die Forscher trotz der skelettartigen Einfachheit ihres Wurmlochs eine zweite Signatur der Wurmlochdynamik, ein feines Muster in der Art und Weise, wie sich Informationen zwischen den Qubits ausbreiten und wieder auflösen, bekannt als „Size-Winding“. Sie hatten ihr neuronales Netzwerk nicht darauf trainiert, dieses Signal zu erhalten, da es das SYK-Modell spärte, also ist die Tatsache, dass Größenwicklung trotzdem auftaucht, eine experimentelle Entdeckung über Holographie.

„Wir haben nichts über diese größengewundene Eigenschaft verlangt, aber wir haben festgestellt, dass sie einfach herausgesprungen ist“, sagte Jafferis. Dies „bestätige die Robustheit“ der holografischen Dualität, sagte er. „Lassen Sie eine [Eigenschaft] erscheinen, dann erhalten Sie den ganzen Rest, was eine Art Beweis dafür ist, dass dieses Gravitationsbild das richtige ist.“

Die Bedeutung des Wurmlochs

Jafferis, der nie erwartet hatte, Teil eines Wurmlochexperiments (oder eines anderen) zu sein, ist der Meinung, dass eine der wichtigsten Erkenntnisse darin besteht, was das Experiment über die Quantenmechanik aussagt. Quantenphänomene wie Verschränkung sind normalerweise undurchsichtig und abstrakt; wir wissen zum Beispiel nicht, wie eine Messung von Teilchen A den Zustand von B aus der Ferne bestimmt. Aber in dem neuen Experiment hat ein unbeschreibliches Quantenphänomen – Informationen, die sich zwischen Teilchen teleportieren – eine konkrete Interpretation als Teilchen, das einen Energiestoß erhält und sich mit einer kalkulierbaren Geschwindigkeit von A nach B bewegt Sicht auf das Qubit; es bewegt sich kausal“, sagte Jafferis. Vielleicht fühlt sich ein Quantenprozess wie die Teleportation „für dieses Qubit immer gravitativ an. Wenn so etwas aus diesem Experiment und anderen verwandten Experimenten herauskommen könnte, wird uns das definitiv etwas Tiefes über unser Universum verraten.“

Susskind, der einen frühen Einblick in die heutigen Ergebnisse bekam, sagte, er hoffe, dass zukünftige Wurmlochexperimente mit viel mehr Qubits verwendet werden könnten, um das Innere des Wurmlochs zu erforschen, um die Quanteneigenschaften der Schwerkraft zu untersuchen. „Indem Sie Messungen an dem durchführen, was durchgegangen ist, befragen Sie es und sehen, was sich im Inneren befand“, sagte er. „Das scheint mir ein interessanter Weg zu sein.“

Einige Physiker werden sagen, das Experiment sage uns nichts über unser Universum, da es eine Dualität zwischen Quantenmechanik und Anti-de-Sitter-Raum verwirklicht, was unser Universum nicht ist.

In den 25 Jahren seit Maldacenas Entdeckung der AdS/CFT-Korrespondenz haben Physiker nach einer ähnlichen holografischen Dualität für den de Sitter-Raum gesucht – eine Karte, die von einem Quantensystem zum positiv energetisierten, expandierenden de Sitter-Universum führt, in dem wir leben. Aber es gab Fortschritte viel langsamer als für AdS, was einige dazu veranlasst, zu bezweifeln, ob der de Sitter-Raum überhaupt holographisch ist. „Fragen wie ‚Wie wäre es damit, dies im physischeren Fall von dS zum Laufen zu bringen?' sind nicht neu, sondern sehr alt und Gegenstand von Zehntausenden von Personenjahren erfolgloser Bemühungen“, sagte Woit, ein Kritiker der AdS/CFT-Forschung. „Was gebraucht wird, sind ganz andere Ideen.“

Kritiker argumentieren, dass sich die beiden Arten von Leerzeichen kategorisch unterscheiden: AdS hat eine äußere Grenze und dS-Leerzeichen nicht, daher gibt es keinen glatten mathematischen Übergang, der sich ineinander verwandeln kann. Und die harte Grenze des AdS-Raums ist genau das, was die Holographie in dieser Umgebung einfach macht, indem sie die Quantenoberfläche bereitstellt, von der aus der Raum projiziert werden kann. Im Vergleich dazu sind in unserem de Sitter-Universum die einzigen Grenzen das Weiteste, was wir sehen können, und die unendliche Zukunft. Dies sind verschwommene Oberflächen, von denen aus versucht werden kann, ein Raum-Zeit-Hologramm zu projizieren.

Renate Löll, ein bekannter Quantengravitationstheoretiker an der Radboud-Universität in den Niederlanden, betonte auch, dass das Wurmlochexperiment die 2D-Raumzeit betrifft – das Wurmloch ist ein Filament mit einer räumlichen Dimension plus der Zeitdimension – während die Schwerkraft im 4D-Raum komplizierter ist. Zeit, in der wir tatsächlich leben. „Es ist ziemlich verlockend, sich in die Feinheiten der 2D-Spielzeugmodelle zu verstricken“, sagte sie per E-Mail, „während wir die verschiedenen und größeren Herausforderungen aus den Augen verlieren, die uns in der 4D-Quantengravitation erwarten. Für diese Theorie kann ich nicht erkennen, wie Quantencomputer mit ihren derzeitigen Fähigkeiten von großer Hilfe sein können … aber ich lasse mich gerne korrigieren.“

Die meisten Quantengravitationsforscher glauben, dass dies alles schwierige, aber lösbare Probleme sind – dass das Verschränkungsmuster, das den 4D-de-Sitter-Raum webt, komplizierter ist als für 2D-AdS, aber wir können dennoch allgemeine Lehren ziehen, indem wir die Holographie in einfacheren Umgebungen untersuchen. Dieses Lager neigt dazu, die beiden Arten von Spaces, dS und AdS, eher ähnlich als unterschiedlich zu sehen. Beide sind Lösungen von Einsteins Relativitätstheorie, die sich nur durch ein Minuszeichen unterscheiden. Sowohl das dS- als auch das AdS-Universum enthalten Schwarze Löcher, die von denselben Paradoxien heimgesucht werden. Und wenn Sie sich tief im AdS-Raum befinden, weit weg von seiner Außenwand, können Sie Ihre Umgebung kaum von de Sitter unterscheiden.

Trotzdem stimmt Susskind zu, dass es an der Zeit ist, real zu werden. „Ich denke, es ist an der Zeit, dass wir aus der Schutzschicht des AdS-Raums herauskommen und uns der Welt öffnen, die möglicherweise mehr mit Kosmologie zu tun hat“, sagte er. „De Sitter Space ist ein weiteres Biest.“

Susskind hat dazu eine neue Idee. Im ein Preprint Im September online gestellt, schlug er vor, dass der de Sitter-Raum ein Hologramm einer anderen Version des SYK-Modells sein könnte – nicht dasjenige mit vierfachen Teilchenwechselwirkungen, sondern eines, in dem die Anzahl der an jeder Wechselwirkung beteiligten Teilchen mit dem Quadrat wächst Wurzel aus der Gesamtzahl der Teilchen. Diese „doppelt skalierte Grenze“ des SYK-Modells „verhält sich eher wie de Sitter als wie AdS“, sagte er. „Es gibt noch lange keinen Beweis, aber es gibt Indizienbeweise.“

Ein solches Quantensystem ist komplexer als das bisher programmierte, und „ob diese Grenze etwas ist, das im Labor realisiert werden kann, weiß ich nicht“, sagte Susskind. Was sicher scheint, ist, dass sich jetzt, da es ein holografisches Wurmloch gibt, weitere öffnen werden.