Οι φυσικοί δημιουργούν μια σκουληκότρυπα χρησιμοποιώντας έναν κβαντικό υπολογιστή

Οι φυσικοί φέρεται να έχουν δημιουργήσει την πρώτη σκουληκότρυπα, ένα είδος σήραγγας που θεωρητικοποιήθηκε το 1935 από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν και τον Νέιθαν Ρόζεν που οδηγεί από το ένα μέρος στο άλλο περνώντας σε μια επιπλέον διάσταση του διαστήματος.

Η σκουληκότρυπα αναδύθηκε σαν ολόγραμμα από κβαντικά bits πληροφοριών ή «qubits», αποθηκευμένα σε μικροσκοπικά υπεραγώγιμα κυκλώματα. Με το χειρισμό των qubits, οι φυσικοί στη συνέχεια έστειλαν πληροφορίες μέσω της σκουληκότρυπας, αυτοί ανέφερε σήμερα στο περιοδικό Φύση.

Η ομάδα, με επικεφαλής τον Μαρία Σπυροπούλου του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνια, εφάρμοσε το νέο «πρωτόκολλο τηλεμεταφοράς σκουληκότρυπας» χρησιμοποιώντας τον κβαντικό υπολογιστή της Google, μια συσκευή που ονομάζεται Sycamore και στεγάζεται στο Google Quantum AI στη Σάντα Μπάρμπαρα της Καλιφόρνια. Με αυτό το πρώτο στο είδος του «πείραμα κβαντικής βαρύτητας σε ένα τσιπ», όπως το περιέγραψε η Spiropulu, εκείνη και η ομάδα της κέρδισαν μια ανταγωνιστική ομάδα φυσικών που στοχεύουν να κάνουν τηλεμεταφορά σκουληκότρυπας με τους κβαντικούς υπολογιστές της IBM και της Quantinuum.

Όταν η Spiropulu είδε την υπογραφή-κλειδί που έδειχνε ότι τα qubits περνούσαν μέσα από τη σκουληκότρυπα, είπε: «Τονίστηκα».

Το πείραμα μπορεί να θεωρηθεί ως απόδειξη για την ολογραφική αρχή, μια σαρωτική υπόθεση για το πώς ταιριάζουν μεταξύ τους οι δύο πυλώνες της θεμελιώδους φυσικής, η κβαντική μηχανική και η γενική σχετικότητα. Οι φυσικοί προσπάθησαν από τη δεκαετία του 1930 να συμφιλιώσουν αυτές τις ασύνδετες θεωρίες - η μία, ένα βιβλίο κανόνων για τα άτομα και τα υποατομικά σωματίδια, η άλλη, η περιγραφή του Αϊνστάιν για το πώς η ύλη και η ενέργεια παραμορφώνουν το χωροχρονικό ιστό, δημιουργώντας βαρύτητα. Η ολογραφική αρχή, ανοδική από τη δεκαετία του 1990, θέτει μια μαθηματική ισοδυναμία ή «δυαδικότητα» μεταξύ των δύο πλαισίων. Λέει ότι το άκαμπτο χωροχρονικό συνεχές που περιγράφεται από τη γενική σχετικότητα είναι πραγματικά ένα κβαντικό σύστημα μεταμφιεσμένων σωματιδίων. Ο χωροχρόνος και η βαρύτητα προκύπτουν από τα κβαντικά εφέ όπως ένα τρισδιάστατο ολόγραμμα προβάλλει από ένα 3D σχέδιο.

Πράγματι, το νέο πείραμα επιβεβαιώνει ότι τα κβαντικά φαινόμενα, του τύπου που μπορούμε να ελέγξουμε σε έναν κβαντικό υπολογιστή, μπορούν να προκαλέσουν ένα φαινόμενο που αναμένουμε να δούμε στη σχετικότητα - μια σκουληκότρυπα. Το εξελισσόμενο σύστημα των qubits στο τσιπ Sycamore "έχει αυτή την πραγματικά ενδιαφέρουσα εναλλακτική περιγραφή", είπε Τζον Πρεσκίλ, ένας θεωρητικός φυσικός στο Caltech που δεν συμμετείχε στο πείραμα. «Μπορείτε να σκεφτείτε το σύστημα σε μια πολύ διαφορετική γλώσσα ως βαρυτικό».

Για να είμαστε σαφείς, σε αντίθεση με ένα συνηθισμένο ολόγραμμα, η σκουληκότρυπα δεν είναι κάτι που μπορούμε να δούμε. Ενώ μπορεί να θεωρηθεί «ένα νήμα του πραγματικού χωροχρόνου», σύμφωνα με τον συν-συγγραφέα Δανιήλ Τζαφέρης του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ, κύριος προγραμματιστής του πρωτοκόλλου τηλεμεταφοράς σκουληκότρυπας, δεν είναι μέρος της ίδιας πραγματικότητας που ζούμε εμείς και ο υπολογιστής Sycamore. Η ολογραφική αρχή λέει ότι οι δύο πραγματικότητες - αυτή με τη σκουληκότρυπα και αυτή με τα qubits - είναι εναλλακτικές εκδοχές της ίδιας φυσικής, αλλά το πώς να συλλάβει κανείς αυτό το είδος δυαδικότητας παραμένει μυστήριο.

Οι απόψεις θα διίστανται σχετικά με τις θεμελιώδεις επιπτώσεις του αποτελέσματος. Το σημαντικό είναι ότι η ολογραφική σκουληκότρυπα στο πείραμα αποτελείται από ένα διαφορετικό είδος χωροχρόνου από τον χωροχρόνο του σύμπαντος μας. Είναι αμφισβητήσιμο αν το πείραμα προωθεί την υπόθεση ότι ο χωροχρόνος που κατοικούμε είναι επίσης ολογραφικός, διαμορφωμένος από κβαντικά bit.

«Νομίζω ότι είναι αλήθεια ότι η βαρύτητα στο σύμπαν μας αναδύεται από κάποια κβαντικά [bits] με τον ίδιο τρόπο που αναδύεται αυτό το μικρό μωρό μονοδιάστατη σκουληκότρυπα» από το τσιπ Sycamore, είπε ο Jafferis. «Φυσικά δεν το ξέρουμε σίγουρα. Προσπαθούμε να το καταλάβουμε».

Μέσα στη σκουληκότρυπα

Η ιστορία της ολογραφικής σκουληκότρυπας ανατρέχει σε δύο φαινομενικά άσχετα έγγραφα που δημοσιεύθηκαν το 1935: ένας από τον Αϊνστάιν και τον Ρόζεν, γνωστοί ως ER, η άλλη από τους δυο τους και τον Boris Podolsky, γνωστό ως EPR. Τόσο τα έγγραφα ER όσο και EPR κρίθηκαν αρχικά ως περιθωριακά έργα του μεγάλου Ε. Αυτό άλλαξε.

Στην εργασία του ER, ο Αϊνστάιν και ο νεαρός βοηθός του, Ρόζεν, έπεσαν πάνω στην πιθανότητα των σκουληκότρυπων, ενώ προσπαθούσαν να επεκτείνουν τη γενική σχετικότητα σε μια ενοποιημένη θεωρία των πάντων - μια περιγραφή όχι μόνο του χωροχρόνου, αλλά και των υποατομικών σωματιδίων που αιωρούνται σε αυτόν. Είχαν εγκατασταθεί σε εμπλοκές στον χωροχρονικό ιστό που ο Γερμανός φυσικός-στρατιώτης Karl Schwarzschild είχε βρει ανάμεσα στις πτυχές της γενικής σχετικότητας το 1916, λίγους μήνες αφότου ο Αϊνστάιν δημοσίευσε τη θεωρία. Ο Schwarzschild έδειξε ότι η μάζα μπορεί να έλκεται βαρυτικά τόσο πολύ ώστε να συγκεντρώνεται απείρως σε ένα σημείο, καμπυλώνοντας τον χωροχρόνο τόσο απότομα εκεί που οι μεταβλητές γίνονται άπειρες και οι εξισώσεις του Αϊνστάιν δυσλειτουργούν. Γνωρίζουμε τώρα ότι αυτές οι «ιδιαιτερότητες» υπάρχουν σε όλο το σύμπαν. Είναι σημεία που ούτε μπορούμε να περιγράψουμε ούτε να δούμε, το καθένα κρυμμένο στο κέντρο μιας μαύρης τρύπας που παγιδεύει βαρυτικά όλο το κοντινό φως. Οι ιδιομορφίες είναι εκεί που χρειάζεται περισσότερο μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας.

Ο Αϊνστάιν και ο Ρόζεν υπέθεσαν ότι τα μαθηματικά του Schwarzschild μπορεί να είναι ένας τρόπος για να συνδέσουμε στοιχειώδη σωματίδια στη γενική σχετικότητα. Για να λειτουργήσει η εικόνα, διέκοψαν τη μοναδικότητα από τις εξισώσεις του, εναλλάσσοντας νέες μεταβλητές που αντικατέστησαν την αιχμηρή αιχμή με έναν υπερδιάστατο σωλήνα που ολισθαίνει σε άλλο μέρος του χωροχρόνου. Ο Αϊνστάιν και ο Ρόζεν υποστήριξαν, λανθασμένα αλλά προληπτικά, ότι αυτές οι «γέφυρες» (ή σκουληκότρυπες) μπορεί να αντιπροσωπεύουν σωματίδια.

Κατά ειρωνικό τρόπο, στην προσπάθειά τους να συνδέσουν σκουληκότρυπες και σωματίδια, το δίδυμο δεν έλαβε υπόψη το παράξενο φαινόμενο των σωματιδίων που είχαν εντοπίσει δύο μήνες νωρίτερα με τον Ποντόλσκι, στο έγγραφο EPR: κβαντική εμπλοκή.

Η εμπλοκή προκύπτει όταν δύο σωματίδια αλληλεπιδρούν. Σύμφωνα με τους κβαντικούς κανόνες, τα σωματίδια μπορούν να έχουν πολλαπλές πιθανές καταστάσεις ταυτόχρονα. Αυτό σημαίνει ότι μια αλληλεπίδραση μεταξύ σωματιδίων έχει πολλαπλά πιθανά αποτελέσματα, ανάλογα με την κατάσταση στην οποία βρίσκεται κάθε σωματίδιο αρχικά. Πάντα, όμως, οι προκύπτουσες καταστάσεις τους θα συνδέονται - το πώς καταλήγει το σωματίδιο Α εξαρτάται από το πώς βγαίνει το σωματίδιο Β. Μετά από μια τέτοια αλληλεπίδραση, τα σωματίδια έχουν έναν κοινό τύπο που καθορίζει τις διάφορες συνδυασμένες καταστάσεις στις οποίες μπορεί να βρίσκονται.

Η σοκαριστική συνέπεια, που έκανε τους συγγραφείς του EPR να αμφισβητήσουν την κβαντική θεωρία, είναι η «απόκοσμη δράση σε απόσταση», όπως το έθεσε ο Αϊνστάιν: Η μέτρηση του σωματιδίου Α (το οποίο διαλέγει μια πραγματικότητα από τις δυνατότητές του) αποφασίζει αμέσως την αντίστοιχη κατάσταση του Β. όσο μακριά κι αν είναι η Β.

Η διαπλοκή έχει αποκτήσει αντιληπτή σημασία από τότε που οι φυσικοί ανακάλυψαν τη δεκαετία του 1990 ότι επιτρέπει νέα είδη υπολογισμών. Η εμπλοκή δύο qubit - κβαντικά αντικείμενα όπως σωματίδια που υπάρχουν σε δύο πιθανές καταστάσεις, 0 και 1 - αποδίδει τέσσερις πιθανές καταστάσεις με διαφορετικές πιθανότητες (0 και 0, 0 και 1, 1 και 0, και 1 και 1). Τρία qubits δημιουργούν οκτώ ταυτόχρονες δυνατότητες, και ούτω καθεξής. η ισχύς ενός «κβαντικού υπολογιστή» αυξάνεται εκθετικά με κάθε επιπλέον μπλεγμένο qubit. Ενορχηστρώστε έξυπνα τη διαπλοκή και μπορείτε να ακυρώσετε όλους τους συνδυασμούς 0 και 1 εκτός από την ακολουθία που δίνει την απάντηση σε έναν υπολογισμό. Πρωτότυποι κβαντικοί υπολογιστές κατασκευασμένοι από μερικές δεκάδες qubits έχουν υλοποιηθεί τα τελευταία δύο χρόνια, με επικεφαλής τη μηχανή Sycamore 54 qubit της Google.

Εν τω μεταξύ, οι ερευνητές της κβαντικής βαρύτητας έχουν προσηλώσει την κβαντική εμπλοκή για έναν άλλο λόγο: ως τον πιθανό πηγαίο κώδικα του ολογράμματος χωροχρόνου.

ER = EPR

Η συζήτηση για τον αναδυόμενο χωρόχρονο και την ολογραφία ξεκίνησε στα τέλη της δεκαετίας του 1980, αφού ο θεωρητικός της μαύρης τρύπας John Wheeler εξέδωσε την άποψη ότι ο χωροχρόνος και οτιδήποτε σε αυτόν μπορεί να πηγάζει από πληροφορίες. Σύντομα, άλλοι ερευνητές, συμπεριλαμβανομένου του Ολλανδού φυσικού Gerard 't Hooft, αναρωτήθηκαν αν αυτή η εμφάνιση μπορεί να μοιάζει με την προβολή ενός ολογράμματος. Παραδείγματα είχαν εμφανιστεί σε μελέτες μαύρης τρύπας και στη θεωρία χορδών, όπου μια περιγραφή ενός φυσικού σεναρίου θα μπορούσε να μεταφραστεί σε μια εξίσου έγκυρη άποψη του με μια επιπλέον χωρική διάσταση. Σε μια εργασία του 1994 με τίτλο "Ο κόσμος ως ολόγραμμα, " Λέοναρντ Σάσκιντ, ένας θεωρητικός της κβαντικής βαρύτητας στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, ολοκλήρωσε την ολογραφική αρχή του 't Hooft, υποστηρίζοντας ότι ένας όγκος λυγισμένου χωροχρόνου που περιγράφεται από τη γενική σχετικότητα είναι ισοδύναμος ή «διπλός» με ένα σύστημα κβαντικών σωματιδίων στις χαμηλότερες διαστάσεις της περιοχής Όριο.

Ένα σημαντικό παράδειγμα ολογραφίας έφτασε τρία χρόνια αργότερα. Juan Maldacena, θεωρητικός της κβαντικής βαρύτητας τώρα στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον του Νιου Τζέρσεϊ, ανακάλυψαν ότι ένα είδος χώρου που ονομάζεται χώρος anti-de Sitter (AdS) είναι, πράγματι, ένα ολόγραμμα.

Το πραγματικό σύμπαν είναι ο χώρος de Sitter, μια συνεχώς αναπτυσσόμενη σφαίρα που οδηγείται προς τα έξω από τη δική της θετική ενέργεια. Αντίθετα, ο χώρος AdS εμποτίζεται με αρνητική ενέργεια — που προκύπτει από διαφορά στο πρόσημο μιας σταθεράς στις εξισώσεις της γενικής σχετικότητας — δίνοντας στον χώρο μια «υπερβολική» γεωμετρία: Τα αντικείμενα συρρικνώνονται καθώς κινούνται προς τα έξω από το κέντρο του χώρου, γίνεται απειροελάχιστο σε ένα εξωτερικό όριο. Ο Maldacena έδειξε ότι ο χωροχρόνος και η βαρύτητα μέσα σε ένα σύμπαν AdS αντιστοιχούν ακριβώς στις ιδιότητες ενός κβαντικού συστήματος στο όριο (συγκεκριμένα ενός συστήματος που ονομάζεται σύμμορφη θεωρία πεδίου ή CFT).

Το έγγραφο-βόμβα του Maldacena του 1997 που περιγράφει αυτήν την «αντιστοιχία AdS/CFT» έχει αναφερθεί από μεταγενέστερες μελέτες 22,000 φορές — περισσότερες από δύο φορές την ημέρα κατά μέσο όρο. «Η προσπάθεια εκμετάλλευσης ιδεών που βασίζονται στο AdS/CFT ήταν ο κύριος στόχος χιλιάδων από τους καλύτερους θεωρητικούς εδώ και δεκαετίες», είπε. Peter Woit, μαθηματικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια.

Καθώς ο ίδιος ο Maldacena εξερευνούσε τον χάρτη του AdS/CFT μεταξύ δυναμικών χωροχρόνων και κβαντικών συστημάτων, έκανε μια νέα ανακάλυψη για τις σκουληκότρυπες. Μελετούσε ένα συγκεκριμένο μοτίβο εμπλοκής που περιελάμβανε δύο σετ σωματιδίων, όπου κάθε σωματίδιο στο ένα σύνολο μπλέκεται με ένα σωματίδιο στο άλλο. Maldacena έδειξε ότι αυτή η κατάσταση είναι μαθηματικά διπλή σε ένα μάλλον δραματικό ολόγραμμα: ένα ζεύγος μαύρων οπών στο χώρο του AdS των οποίων το εσωτερικό συνδέεται μέσω μιας σκουληκότρυπας.

Έπρεπε να περάσει μια δεκαετία πριν ο Maldacena, το 2013 (υπό συνθήκες που «για να είμαι ειλικρινής, δεν θυμάμαι», λέει), συνειδητοποιήσει ότι η ανακάλυψή του μπορεί να σημαίνει μια γενικότερη αντιστοιχία μεταξύ της κβαντικής εμπλοκής και της σύνδεσης μέσω σκουληκότρυπας. Επινόησε μια κρυπτική μικρή εξίσωση - ER = EPR - σε ένα email στον Susskind, ο οποίος κατάλαβε αμέσως. Τα δύο γρήγορα ανέπτυξε την εικασία μαζί, γράφοντας, «Υποστηρίζουμε ότι η γέφυρα του Αϊνστάιν Ρόζεν μεταξύ δύο μαύρων οπών δημιουργείται από συσχετίσεις που μοιάζουν με EPR μεταξύ των μικροκαταστάσεων των δύο μαύρων οπών» και ότι η δυαδικότητα μπορεί να είναι πιο γενική από αυτό: «Είναι πολύ δελεαστικό να Σκέψου ότι κάθε Το συσχετιζόμενο σύστημα EPR συνδέεται με κάποιο είδος γέφυρας ER.

Ίσως μια σκουληκότρυπα συνδέει κάθε μπλεγμένο ζεύγος σωματιδίων στο σύμπαν, δημιουργώντας μια χωρική σύνδεση που καταγράφει τις κοινές τους ιστορίες. Ίσως η άποψη του Αϊνστάιν ότι οι σκουληκότρυπες έχουν να κάνουν με τα σωματίδια ήταν σωστή.

Μια Στιβαρή Γέφυρα

Όταν ο Jafferis άκουσε τη διάλεξη του Maldacena για το ER = EPR σε ένα συνέδριο το 2013, συνειδητοποίησε ότι η εικαζόμενη δυαδικότητα θα σας επιτρέψει να σχεδιάσετε κατά παραγγελία σκουληκότρυπες προσαρμόζοντας το μοτίβο εμπλοκής.

Οι τυπικές γέφυρες Αϊνστάιν-Ρόζεν είναι μια απογοήτευση για τους θαυμαστές της επιστημονικής φαντασίας παντού: Αν σχηματιζόταν μία, θα κατέρρεε γρήγορα υπό τη δική της βαρύτητα και θα τσιμπούσε πολύ πριν περάσει ένα διαστημόπλοιο ή οτιδήποτε άλλο. Αλλά ο Τζάφερης φαντάστηκε να συνδέει ένα σύρμα ή οποιαδήποτε άλλη φυσική σύνδεση μεταξύ των δύο σετ μπλεγμένων σωματιδίων που κωδικοποιούν τα δύο στόματα μιας σκουληκότρυπας. Με αυτό το είδος σύζευξης, η λειτουργία στα σωματίδια στη μία πλευρά θα προκαλούσε αλλαγές στα σωματίδια από την άλλη, ίσως ωθώντας να ανοίξει η σκουληκότρυπα μεταξύ τους. «Θα μπορούσε να είναι αυτό που κάνει τη σκουληκότρυπα διασχίσιμη;» Ο Τζαφέρης θυμάται να αναρωτιέται. Έχοντας γοητευμένος από τις σκουληκότρυπες από την παιδική του ηλικία -θαύμα της φυσικής, ξεκίνησε στο Πανεπιστήμιο του Γέιλ στα 14 του - ο Τζαφέρης ακολούθησε την ερώτηση «σχεδόν για διασκέδαση».

Πίσω στο Χάρβαρντ, αυτός και Πινγκ Γκάο, μεταπτυχιακός φοιτητής του τότε, και Τοίχος Aron, τότε ένας επισκέπτης ερευνητής, υπολόγισε τελικά ότι, πράγματι, με τη σύζευξη δύο σετ μπλεγμένων σωματιδίων, μπορείτε να εκτελέσετε μια λειτουργία στο αριστερό σύνολο που, στη διπλή, υψηλότερης διάστασης εικόνα του χωροχρόνου, κρατά ανοιχτή τη σκουληκότρυπα που οδηγεί στο δεξί στόμα και σπρώχνει ένα qubit μέσα.

Jafferis, Gao and Wall's Ανακάλυψη του 2016 αυτής της ολογραφικής, διασχίσιμης σκουληκότρυπας έδωσε στους ερευνητές ένα νέο παράθυρο στη μηχανική της ολογραφίας. «Το γεγονός ότι αν κάνεις τα σωστά πράγματα από έξω μπορείς να καταλήξεις να τα περάσεις, σημαίνει επίσης ότι μπορείς να δεις μέσα» τη σκουληκότρυπα, είπε ο Τζαφέρης. "Σημαίνει ότι είναι δυνατό να διερευνηθεί αυτό το γεγονός ότι δύο μπερδεμένα συστήματα περιγράφονται από κάποια συνδεδεμένη γεωμετρία."

Μέσα σε λίγους μήνες, ο Maldacena και δύο συνάδελφοί του είχαν βασιστεί στο σχέδιο δείχνοντας ότι η διασχίσιμη σκουληκότρυπα θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί σε ένα απλό περιβάλλον - «ένα κβαντικό σύστημα που είναι αρκετά απλό ώστε μπορούμε να φανταστούμε να το φτιάξουμε», είπε ο Jafferis.

Το μοντέλο SYK, όπως λέγεται, είναι ένα σύστημα σωματιδίων ύλης που αλληλεπιδρούν σε ομάδες, αντί για τα συνηθισμένα ζεύγη. Περιγράφηκε για πρώτη φορά από τους Subir Sachdev και Jinwu Ye το 1993, το μοντέλο ξαφνικά είχε πολύ μεγαλύτερη σημασία ξεκινώντας το 2015 όταν ο θεωρητικός φυσικός Αλεξέι Κιτάεφ ανακάλυψε ότι είναι ολογραφικό. Σε μια διάλεξη εκείνη τη χρονιά στη Σάντα Μπάρμπαρα της Καλιφόρνια, ο Kitaev (που έγινε ο Κ στο SYK) γέμισε αρκετούς πίνακες κιμωλίας με στοιχεία ότι η συγκεκριμένη έκδοση του μοντέλου στο οποίο τα σωματίδια ύλης αλληλεπιδρούν σε ομάδες των τεσσάρων μπορεί μαθηματικά να χαρτογραφηθεί σε ένα μονοδιάστατο μαύρο τρύπα στο χώρο του AdS, με πανομοιότυπες συμμετρίες και άλλες ιδιότητες. «Ορισμένες απαντήσεις είναι ίδιες και στις δύο περιπτώσεις», είπε σε ένα ενθουσιασμένο κοινό. Ο Μαλντασένα καθόταν στην πρώτη σειρά.

Συνδέοντας τις τελείες, Maldacena και συν-συγγραφείς προτείνεται ότι δύο μοντέλα SYK συνδεδεμένα μεταξύ τους θα μπορούσαν να κωδικοποιήσουν τα δύο στόματα του Jafferis, του Gao και της διασχίσιμης σκουληκότρυπας του Wall. Ο Τζαφέρης και ο Γκάο έτρεξαν με την προσέγγιση. Μέχρι το 2019, βρήκαν το δρόμο τους μια συγκεκριμένη συνταγή για τηλεμεταφορά ενός qubit πληροφοριών από ένα σύστημα τεσσάρων κατευθύνσεων αλληλεπιδρώντων σωματιδίων σε ένα άλλο. Η περιστροφή όλων των κατευθύνσεων περιστροφής των σωματιδίων μεταφράζεται, στη διπλή χωροχρονική εικόνα, σε ένα ωστικό κύμα αρνητικής ενέργειας που διαπερνά τη σκουληκότρυπα, κλωτσώντας το qubit προς τα εμπρός και, σε προβλέψιμο χρόνο, από το στόμα.

«Η σκουληκότρυπα του Jafferis είναι η πρώτη συγκεκριμένη συνειδητοποίηση του ER = EPR, όπου δείχνει ότι η σχέση ισχύει ακριβώς για ένα συγκεκριμένο σύστημα», είπε. Άλεξ Ζλόκαπα, μεταπτυχιακός φοιτητής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης και συν-συγγραφέας του νέου πειράματος.

Η σκουληκότρυπα στο εργαστήριο

Καθώς η θεωρητική εργασία εξελισσόταν, η Maria Spiropulu, μια επιτυχημένη πειραματική σωματιδιακή φυσική που συμμετείχε στην ανακάλυψη του μποζονίου Higgs το 2012, σκεφτόταν πώς να χρησιμοποιήσει εκκολαπτόμενους κβαντικούς υπολογιστές για να κάνει ολογραφικά πειράματα κβαντικής βαρύτητας. Το 2018 έπεισε τον Jafferis να συμμετάσχει στην αναπτυσσόμενη ομάδα της, μαζί με ερευνητές στο Google Quantum AI - φύλακες της συσκευής Sycamore.

Για να τρέξει το πρωτόκολλο τηλεμεταφοράς σκουληκότρυπας του Jafferis και του Gao στον υπερσύγχρονο, αλλά ακόμα μικρό και επιρρεπή σε σφάλματα κβαντικό υπολογιστή, η ομάδα του Spiropulu έπρεπε να απλοποιήσει πολύ το πρωτόκολλο. Ένα πλήρες μοντέλο SYK αποτελείται από πρακτικά άπειρα πολλά σωματίδια συζευγμένα μεταξύ τους με τυχαίες δυνάμεις καθώς συμβαίνουν αλληλεπιδράσεις τεσσάρων κατευθύνσεων καθ' όλη τη διάρκεια. Αυτό δεν είναι εφικτό να υπολογιστεί. Ακόμη και η χρήση και των 50 περιττών διαθέσιμων qubits θα απαιτούσε εκατοντάδες χιλιάδες λειτουργίες κυκλώματος. Οι ερευνητές ξεκίνησαν να δημιουργήσουν μια ολογραφική σκουληκότρυπα με μόλις επτά qubits και εκατοντάδες λειτουργίες. Για να γίνει αυτό, έπρεπε να «αραιοποιήσουν» το μοντέλο SYK με επτά σωματίδια, κωδικοποιώντας μόνο τις ισχυρότερες αλληλεπιδράσεις τεσσάρων κατευθύνσεων και εξαλείφοντας τις υπόλοιπες, διατηρώντας παράλληλα τις ολογραφικές ιδιότητες του μοντέλου. «Χρειάστηκαν μερικά χρόνια για να βρούμε έναν έξυπνο τρόπο να το κάνουμε», είπε ο Spiropulu.

Ένα μυστικό επιτυχίας ήταν ο Zlokapa, ένα παιδί της ορχήστρας waifish που εντάχθηκε στην ερευνητική ομάδα του Spiropulu ως προπτυχιακός στο Caltech. Ένας ταλαντούχος προγραμματιστής, ο Zlokapa χαρτογράφησε τις αλληλεπιδράσεις σωματιδίων του μοντέλου SYK στις συνδέσεις μεταξύ νευρώνων ενός νευρωνικού δικτύου και εκπαίδευσε το σύστημα να διαγράφει όσο το δυνατόν περισσότερες συνδέσεις δικτύου διατηρώντας παράλληλα μια βασική υπογραφή σκουληκότρυπας. Η διαδικασία μείωσε τον αριθμό των αλληλεπιδράσεων τεσσάρων κατευθύνσεων από εκατοντάδες σε πέντε.

Με αυτό, η ομάδα άρχισε να προγραμματίζει τα qubits του Sycamore. Επτά qubits κωδικοποιούν 14 σωματίδια ύλης — επτά το καθένα στο αριστερό και το δεξί σύστημα SYK, όπου κάθε σωματίδιο στα αριστερά είναι μπλεγμένο με ένα στα δεξιά. Ένα όγδοο qubit, σε κάποιο πιθανό συνδυασμό των καταστάσεων 0 και 1, ανταλλάσσεται στη συνέχεια με ένα από τα σωματίδια από το αριστερό μοντέλο SYK. Οι πιθανές καταστάσεις αυτού του qubit μπλέκονται γρήγορα με τις καταστάσεις των άλλων σωματιδίων στα αριστερά, διαδίδοντας τις πληροφορίες του ομοιόμορφα μεταξύ τους σαν μια σταγόνα μελάνι στο νερό. Αυτό είναι ολογραφικά διπλό σε σχέση με το qubit που εισέρχεται στο αριστερό στόμιο μιας μονοδιάστατης σκουληκότρυπας στο χώρο του AdS.

Έπειτα έρχεται η μεγάλη περιστροφή όλων των qubits, διπλή σε έναν παλμό αρνητικής ενέργειας που κυλάει μέσα από τη σκουληκότρυπα. Η περιστροφή προκαλεί τη μεταφορά του εγχυόμενου qubit στα σωματίδια του δεξιού μοντέλου SYK. Στη συνέχεια, οι πληροφορίες δεν διαδίδονται, είπε ο Preskill, «σαν το χάος να τρέχει προς τα πίσω» και επικεντρώνεται εκ νέου στη θέση ενός μεμονωμένου σωματιδίου στα δεξιά - του μπερδεμένου εταίρου του αριστερού σωματιδίου που ανταλλάχθηκε. Στη συνέχεια μετρώνται όλες οι καταστάσεις των qubits. Η καταμέτρηση των 0 και 1 σε πολλές πειραματικές εκτελέσεις και η σύγκριση αυτών των στατιστικών με την προετοιμασμένη κατάσταση των εγχυόμενων qubits αποκαλύπτει εάν τα qubits τηλεμεταφέρονται.

Οι ερευνητές αναζητούν μια κορυφή στα δεδομένα που αντιπροσωπεύει μια διαφορά μεταξύ δύο περιπτώσεων: Αν δουν την κορυφή, σημαίνει ότι οι περιστροφές qubit που είναι διπλές σε παλμούς αρνητικής ενέργειας επιτρέπουν στα qubits να τηλεμεταφέρονται, ενώ οι περιστροφές προς την αντίθετη κατεύθυνση, που είναι διπλός σε παλμούς κανονικής, θετικής ενέργειας, μην αφήνετε τα qubits να περάσουν. (Αντίθετα, προκαλούν το κλείσιμο της σκουληκότρυπας.)

Αργά ένα βράδυ του Ιανουαρίου, μετά από δύο χρόνια σταδιακών βελτιώσεων και προσπαθειών μείωσης του θορύβου, ο Ζλόκαπα έτρεξε το τελικό πρωτόκολλο στο Sycamore από απόσταση από την παιδική του κρεβατοκάμαρα στην περιοχή του κόλπου του Σαν Φρανσίσκο, όπου περνούσε το χειμερινό διάλειμμα μετά το πρώτο εξάμηνο του απολυτηρίου. .

Η κορυφή εμφανίστηκε στην οθόνη του υπολογιστή του.

«Γίνονταν όλο και πιο αιχμηρό», είπε. «Έστειλα στιγμιότυπα οθόνης της κορυφής στη Μαρία και ενθουσιαζόμουν πολύ, γράφοντας, «Νομίζω ότι βλέπουμε μια σκουληκότρυπα τώρα». Η κορυφή ήταν «το πρώτο σημάδι ότι μπορούσες να δεις τη βαρύτητα σε έναν κβαντικό υπολογιστή».

Η Spiropulu λέει ότι δύσκολα μπορούσε να πιστέψει την καθαρή, έντονη κορυφή που έβλεπε. «Ήταν πολύ παρόμοιο με όταν είδα τα πρώτα δεδομένα για την ανακάλυψη Higgs», είπε. «Όχι γιατί δεν το περίμενα, αλλά μου ήρθε πάρα πολύ».

Παραδόξως, παρά τη σκελετική απλότητα της σκουληκότρυπας τους, οι ερευνητές εντόπισαν μια δεύτερη υπογραφή της δυναμικής της σκουληκότρυπας, ένα λεπτό μοτίβο στον τρόπο με τον οποίο οι πληροφορίες διαδίδονται και δεν διαδίδονται μεταξύ των qubits που είναι γνωστό ως «τύλιγμα μεγέθους». Δεν είχαν εκπαιδεύσει το νευρωνικό τους δίκτυο για να διατηρήσει αυτό το σήμα καθώς αραίωση του μοντέλου SYK, οπότε το γεγονός ότι η περιέλιξη μεγέθους εμφανίζεται ούτως ή άλλως είναι μια πειραματική ανακάλυψη σχετικά με την ολογραφία.

«Δεν απαιτήσαμε τίποτα για αυτό το μεγάλο ακίνητο, αλλά διαπιστώσαμε ότι μόλις βγήκε έξω», είπε ο Τζαφέρης. Αυτό «επιβεβαίωσε τη στιβαρότητα» της ολογραφικής δυαδικότητας, είπε. «Κάντε μια [ιδιότητα] να εμφανιστεί, τότε θα έχετε όλα τα υπόλοιπα, που είναι ένα είδος απόδειξης ότι αυτή η βαρυτική εικόνα είναι η σωστή».

Το νόημα της σκουληκότρυπας

Ο Jafferis, ο οποίος δεν περίμενε ποτέ ότι θα ήταν μέρος ενός πειράματος σκουληκότρυπας (ή οποιουδήποτε άλλου), πιστεύει ότι ένα από τα πιο σημαντικά βήματα είναι αυτό που λέει το πείραμα για την κβαντική μηχανική. Τα κβαντικά φαινόμενα όπως η εμπλοκή είναι συνήθως αδιαφανή και αφηρημένα. Δεν γνωρίζουμε, για παράδειγμα, πώς μια μέτρηση του σωματιδίου Α καθορίζει την κατάσταση του Β από μακριά. Αλλά στο νέο πείραμα, ένα άφατο κβαντικό φαινόμενο - η τηλεμεταφορά πληροφοριών μεταξύ σωματιδίων - έχει μια απτή ερμηνεία ως ένα σωματίδιο που δέχεται ενέργεια και κινείται με υπολογίσιμη ταχύτητα από το Α στο Β. «Φαίνεται να υπάρχει αυτή η ωραία ιστορία από το σημείο άποψη του qubit? κινείται αιτιακά», είπε ο Τζαφέρης. Ίσως μια κβαντική διαδικασία όπως η τηλεμεταφορά «πάντα είναι βαρυτική σε αυτό το qubit. Αν κάτι τέτοιο θα μπορούσε να προκύψει από αυτό το πείραμα και άλλα σχετικά πειράματα, αυτό σίγουρα θα μας πει κάτι βαθύ για το σύμπαν μας».

Ο Susskind, ο οποίος έριξε μια πρώτη ματιά στα σημερινά αποτελέσματα, είπε ότι ελπίζει ότι μελλοντικά πειράματα σκουληκότρυπας που περιλαμβάνουν πολλά περισσότερα qubits μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εξερεύνηση του εσωτερικού της σκουληκότρυπας ως τρόπο διερεύνησης των κβαντικών ιδιοτήτων της βαρύτητας. «Κάνοντας μετρήσεις για αυτό που πέρασε, το ανακρίνεις και βλέπεις τι υπήρχε μέσα», είπε. «Μου φαίνεται ένας ενδιαφέρον τρόπος».

Μερικοί φυσικοί θα πουν ότι το πείραμα δεν μας λέει τίποτα για το σύμπαν μας, αφού συνειδητοποιεί μια δυαδικότητα μεταξύ της κβαντικής μηχανικής και του χώρου αντι-ντε Σίτερ, κάτι που δεν είναι το σύμπαν μας.

Στα 25 χρόνια από την ανακάλυψη της αλληλογραφίας AdS/CFT από τον Maldacena, οι φυσικοί αναζήτησαν μια παρόμοια ολογραφική δυαδικότητα για τον χώρο de Sitter - έναν χάρτη που πηγαίνει από ένα κβαντικό σύστημα στο θετικά ενεργό, διαστελλόμενο σύμπαν de Sitter στο οποίο ζούμε. Αλλά η πρόοδος έχει σημειωθεί πολύ πιο αργό από ό,τι για το AdS, με αποτέλεσμα ορισμένοι να αμφιβάλλουν εάν ο χώρος de Sitter είναι καθόλου ολογραφικός. "Ερωτήσεις όπως "Τι γίνεται με το να λειτουργήσει αυτό στην πιο φυσική περίπτωση του dS;" δεν είναι καινούργια, αλλά πολύ παλιά και έχουν αποτελέσει αντικείμενο δεκάδων χιλιάδων αποτυχημένων προσπαθειών ανθρωποετών», δήλωσε ο Woit, κριτικός της έρευνας AdS/CFT. «Αυτό που χρειάζεται είναι μερικές εντελώς διαφορετικές ιδέες».

Οι επικριτές υποστηρίζουν ότι τα δύο είδη χώρου διαφέρουν κατηγορηματικά: το AdS έχει εξωτερικό όριο και ο χώρος dS όχι, επομένως δεν υπάρχει ομαλή μαθηματική μετάβαση που να μπορεί να μεταμορφωθεί το ένα στο άλλο. Και το σκληρό όριο του χώρου AdS είναι αυτό ακριβώς που κάνει την ολογραφία εύκολη σε αυτή τη ρύθμιση, παρέχοντας την κβαντική επιφάνεια από την οποία θα προβληθεί ο χώρος. Συγκριτικά, στο σύμπαν μας de Sitter, τα μόνα όρια είναι το πιο μακρινό που μπορούμε να δούμε και το άπειρο μέλλον. Αυτές είναι θολές επιφάνειες από τις οποίες μπορείτε να δοκιμάσετε να προβάλλετε ένα ολόγραμμα χωροχρόνου.

Ανανεώστε το Loll, ένας διακεκριμένος θεωρητικός της κβαντικής βαρύτητας στο Πανεπιστήμιο Radboud στην Ολλανδία, τόνισε επίσης ότι το πείραμα της σκουληκότρυπας αφορά τον 2D χωροχρόνο - η σκουληκότρυπα είναι ένα νήμα, με μια χωρική διάσταση συν τη χρονική διάσταση - ενώ η βαρύτητα είναι πιο περίπλοκη στον 4D χώρο- «Είναι μάλλον δελεαστικό να μπλέκουμε στις περιπλοκές των μοντέλων 2D παιχνιδιών», είπε μέσω email, «ενώ χάνουμε τις διαφορετικές και μεγαλύτερες προκλήσεις που μας περιμένουν στην 4D κβαντική βαρύτητα. Για αυτή τη θεωρία, δεν μπορώ να δω πώς οι κβαντικοί υπολογιστές με τις τρέχουσες δυνατότητές τους μπορούν να βοηθήσουν πολύ… αλλά θα είμαι ευτυχώς διορθωμένος».

Οι περισσότεροι ερευνητές της κβαντικής βαρύτητας πιστεύουν ότι όλα αυτά είναι δύσκολα αλλά επιλύσιμα προβλήματα - ότι το μοτίβο εμπλοκής που υφαίνει το χώρο 4D de Sitter είναι πιο περίπλοκο από ό,τι για το 2D AdS, αλλά μπορούμε ωστόσο να αντλήσουμε γενικά μαθήματα μελετώντας την ολογραφία σε απλούστερες ρυθμίσεις. Αυτό το στρατόπεδο τείνει να βλέπει τους δύο τύπους χώρου, dS και AdS, περισσότερο παρόμοιους παρά διαφορετικούς. Και οι δύο είναι λύσεις στη θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, που διαφέρουν μόνο κατά ένα πρόσημο μείον. Τόσο το σύμπαν dS όσο και το AdS περιέχουν μαύρες τρύπες που πλήττονται από τα ίδια παράδοξα. Και όταν βρίσκεστε βαθιά στο χώρο του AdS, μακριά από τον εξωτερικό του τοίχο, δύσκολα μπορείτε να ξεχωρίσετε το περιβάλλον σας από τον de Sitter.

Ωστόσο, ο Susskind συμφωνεί ότι ήρθε η ώρα να γίνει πραγματικότητα. «Νομίζω ότι ήρθε η ώρα να βγούμε από το προστατευτικό στρώμα του χώρου AdS και να ανοίξουμε τον κόσμο που μπορεί να έχει περισσότερη σχέση με την κοσμολογία», είπε. «Ο χώρος De Sitter είναι ένα άλλο θηρίο».

Για το σκοπό αυτό, ο Susskind έχει μια νέα ιδέα. Σε ένα προτύπωμα αναρτήθηκε στο Διαδίκτυο τον Σεπτέμβριο, πρότεινε ότι ο χώρος de Sitter μπορεί να είναι ένα ολόγραμμα μιας διαφορετικής έκδοσης του μοντέλου SYK — όχι αυτό με αλληλεπιδράσεις τεσσάρων κατευθύνσεων σωματιδίων, αλλά ένα στο οποίο ο αριθμός των σωματιδίων που εμπλέκονται σε κάθε αλληλεπίδραση αυξάνεται όσο το τετράγωνο ρίζα του συνολικού αριθμού των σωματιδίων. Αυτό το «όριο διπλής κλίμακας» του μοντέλου SYK «συμπεριφέρεται περισσότερο σαν de Sitter παρά με AdS», είπε. «Δεν υπάρχει απόδειξη, αλλά υπάρχουν έμμεσες αποδείξεις».

Ένα τέτοιο κβαντικό σύστημα είναι πιο περίπλοκο από αυτό που έχει προγραμματιστεί μέχρι τώρα, και «δεν ξέρω αν αυτό το όριο είναι κάτι που θα πραγματοποιηθεί στο εργαστήριο», είπε ο Susskind. Αυτό που φαίνεται σίγουρο είναι ότι, τώρα που υπάρχει μια ολογραφική σκουληκότρυπα, θα ανοίξουν περισσότερες.