Fyysikot luovat madonreiän kvanttitietokoneella

Fyysikot ovat väitetysti luoneet kaikkien aikojen ensimmäisen madonreiän, Albert Einsteinin ja Nathan Rosenin vuonna 1935 teoretisoiman tunnelin, joka johtaa paikasta toiseen siirtymällä avaruuden ylimääräiseen ulottuvuuteen.

Madonreikä syntyi kuin hologrammi pieniin suprajohtaviin piireihin tallennetuista kvanttibitteistä eli "kubiteista". Manipuloimalla kubitteja, fyysikot lähettivät sitten tietoa madonreiän kautta raportoitiin tänään lehdessä luonto.

Joukkue, jota johtaa Maria Spiropulu Kalifornian teknillisen korkeakoulun tutkija otti käyttöön uuden "madonreiän teleportaatioprotokollan" käyttämällä Googlen kvanttitietokonetta, Sycamore-nimistä laitetta, joka sijaitsee Google Quantum AI:ssa Santa Barbarassa, Kaliforniassa. Tällä ensimmäisellä "kvanttigravitaatiokokeella sirulla", kuten Spiropulu sitä kuvaili, hän ja hänen tiiminsä voittivat kilpailevan fyysikkoryhmän. jotka tähtäävät madonreiän teleportaatioon IBM:n ja Quantinuumin kvanttitietokoneiden kanssa.

Kun Spiropulu näki avaimen allekirjoituksen, joka osoitti, että kubitit kulkivat madonreiän läpi, hän sanoi: "Olin järkyttynyt."

Kokeilua voidaan pitää todisteena holografiselle periaatteelle, laajalle hypoteesille siitä, kuinka perusfysiikan kaksi pilaria, kvanttimekaniikka ja yleinen suhteellisuusteoria, sopivat yhteen. Fyysikot ovat 1930-luvulta lähtien pyrkineet sovittamaan yhteen nämä hajanaiset teoriat – yksi on sääntökirja atomeille ja subatomisille hiukkasille ja toinen Einsteinin kuvaus siitä, kuinka aine ja energia vääntävät aika-avaruuskudosta ja synnyttävät painovoimaa. Holografinen periaate, joka on noussut 1990-luvulta lähtien, asettaa näiden kahden kehyksen välille matemaattisen vastaavuuden tai "kaksinaisuuden". Se sanoo, että yleisen suhteellisuusteorian kuvaama taipuisa tila-aikajatkumo on todella naamioituneiden hiukkasten kvanttijärjestelmä. Avaruus-aika ja gravitaatio syntyvät kvanttiefekteistä aivan kuten 3D-hologrammi projisoituu 2D-kuviosta.

Uusi koe todellakin vahvistaa, että kvanttiefektit, sen tyyppiset, joita voimme hallita kvanttitietokoneessa, voivat aiheuttaa ilmiön, jonka odotamme näkevämme suhteellisuusteoriassa - madonreiän. Sycamore-sirun kehittyvällä qubit-järjestelmällä "on tämä todella hieno vaihtoehtoinen kuvaus", sanoi John Preskill, Caltechin teoreettinen fyysikko, joka ei ollut mukana kokeessa. "Voit ajatella järjestelmää hyvin eri kielellä gravitaatioksi."

Selvyyden vuoksi, toisin kuin tavallinen hologrammi, madonreikä ei ole jotain, jota voimme nähdä. Vaikka sitä voidaan pitää "todellisen aika-avaruuden filamenttina", toinen kirjoittajan mukaan Daniel Jafferis Harvardin yliopistosta, madonreiän teleportaatioprotokollan johtavasta kehittäjästä, se ei ole osa samaa todellisuutta, jota me ja Sycamore-tietokone asumme. Holografinen periaate sanoo, että kaksi todellisuutta - madonreikä ja kubitit - ovat vaihtoehtoisia versioita samasta fysiikasta, mutta kuinka tällainen kaksinaisuus voidaan käsittää, on edelleen mystistä.

Mielipiteet eroavat tuloksen perustavanlaatuisista vaikutuksista. Ratkaisevaa on, että kokeen holografinen madonreikä koostuu erilaisesta aika-avaruudesta kuin oman universumimme aika-avaruus. On kyseenalaista, edistääkö kokeilu hypoteesia, että asuttamamme aika-avaruus on myös holografinen kvanttibittien kuvioitu.

"Mielestäni on totta, että gravitaatio universumissamme syntyy joistakin kvantti [bitteistä] samalla tavalla kuin tämä pieni vauvan yksiulotteinen madonreikä" Sycamore-sirusta, Jafferis sanoi. "Emme tietenkään tiedä sitä varmasti. Yritämme ymmärtää sitä."

Madonreikään

Holografisen madonreiän tarina juontaa juurensa kahteen näennäisesti toisiinsa liittymättömään paperiin, jotka julkaistiin vuonna 1935: yksi Einstein ja Rosen, joka tunnetaan nimellä ER, muut he kaksi ja Boris Podolsky, joka tunnetaan nimellä EPR. Sekä ER- että EPR-paperit arvioitiin alun perin suuren E:n marginaaliteoksiksi. Se on muuttunut.

ER-paperissa Einstein ja hänen nuori avustajansa Rosen törmäsivät madonreikien mahdollisuuteen yrittäessään laajentaa yleistä suhteellisuusteoriaa kaiken yhtenäiseksi teoriaksi - kuvaukseksi ei vain avaruudesta, vaan siinä suspendoituneista subatomisista hiukkasista. He olivat löytäneet puutteita aika-avaruuskudoksessa, jonka saksalainen fyysikko-sotilas Karl Schwarzschild oli löytänyt yleisen suhteellisuusteorian poimuista vuonna 1916, vain kuukausia sen jälkeen, kun Einstein julkaisi teorian. Schwarzschild osoitti, että massa voi vetää puoleensa painovoiman avulla itseään niin paljon, että se keskittyy äärettömästi johonkin pisteeseen ja kaareutuu siellä niin jyrkästi, että muuttujat muuttuvat äärettömiksi ja Einsteinin yhtälöt eivät toimi. Tiedämme nyt, että näitä "singulariteettia" on kaikkialla universumissa. Ne ovat pisteitä, joita emme voi kuvailla emmekä nähdä, jokainen piilotettu mustan aukon keskelle, joka vangitsee gravitaatiolla kaiken lähellä olevan valon. Singulariteeteissa tarvitaan eniten painovoiman kvanttiteoriaa.

Einstein ja Rosen spekuloivat, että Schwarzschildin matematiikka voisi olla tapa liittää alkeishiukkaset yleiseen suhteellisuusteoriaan. Jotta kuva toimisi, he katkaisivat singulaarisuuden pois hänen yhtälöistään ja vaihtoivat uusia muuttujia, jotka korvasivat terävän pisteen lisäulotteisella putkella, joka liukuu aika-avaruuden toiseen osaan. Einstein ja Rosen väittivät, väärin, mutta ennakoivasti, että nämä "sillat" (tai madonreiät) saattoivat edustaa hiukkasia.

Ironista kyllä, yrittäessään yhdistää madonreikiä ja hiukkasia, kaksikko ei huomioinut outoa hiukkasilmiötä, jonka he olivat tunnistaneet kaksi kuukautta aiemmin Podolskyn kanssa EPR-paperissa: kvanttisekoittumista.

Kietoutuminen syntyy kahden hiukkasen vuorovaikutuksessa. Kvanttisääntöjen mukaan hiukkasilla voi olla useita mahdollisia tiloja kerralla. Tämä tarkoittaa, että hiukkasten välisellä vuorovaikutuksella on useita mahdollisia seurauksia riippuen siitä, missä tilassa kukin hiukkanen on aluksi. Aina kuitenkin niiden tuloksena olevat tilat linkitetään - kuinka hiukkanen A päätyy, riippuu siitä, kuinka hiukkanen B muuttuu. Tällaisen vuorovaikutuksen jälkeen hiukkasilla on yhteinen kaava, joka määrittää eri yhdistetyt tilat, joissa ne voivat olla.

Järkyttävä seuraus, joka sai EPR:n kirjoittajat epäilemään kvanttiteoriaa, on "pelottava toiminta etäältä", kuten Einstein ilmaisi: Hiukkasen A mittaaminen (joka poimii yhden todellisuuden mahdollisuuksistaan) ratkaisee välittömästi B:n vastaavan tilan, riippumatta siitä, kuinka kaukana B on.

Kietoutumisen merkitys on kasvanut sen jälkeen, kun fyysikot havaitsivat 1990-luvulla, että se mahdollistaa uudenlaisia ​​laskelmia. Kahden kubitin – kvanttiobjektien, kuten hiukkasten, jotka ovat kahdessa mahdollisessa tilassa, 0 ja 1 – yhdistäminen saa aikaan neljä mahdollista tilaa eri todennäköisyyksillä (0 ja 0, 0 ja 1, 1 ja 0 sekä 1 ja 1). Kolme kubittia muodostaa kahdeksan samanaikaista mahdollisuutta ja niin edelleen; "kvanttitietokoneen" teho kasvaa eksponentiaalisesti jokaisen kietoutuvan kubitin myötä. Orkesteroi sotkeutuminen taitavasti, ja voit peruuttaa kaikki 0:n ja 1:n yhdistelmät lukuun ottamatta sekvenssiä, joka antaa vastauksen laskutoimitukseen. Muutamasta kymmenestä kubitista valmistettujen kvanttitietokoneiden prototyyppejä on syntynyt parin viime vuoden aikana Googlen 54-kubitisen Sycamore-koneen johdolla.

Sillä välin kvanttigravitaation tutkijat ovat kiinnittäneet kvanttiketumiseen toisesta syystä: tila-aika-hologrammin mahdollisena lähdekoodina.

ER = EPR

Puhe nousevasta aika-avaruudesta ja holografiasta alkoi 1980-luvun lopulla, sen jälkeen, kun mustan aukon teoreetikko John Wheeler julisti näkemyksen, että aika-avaruus ja kaikki siinä voi syntyä tiedosta. Pian muut tutkijat, mukaan lukien hollantilainen fyysikko Gerard 't Hooft, ihmettelivät, voisiko tämä ilmaantuminen muistuttaa hologrammin projektiota. Esimerkkejä oli löytynyt mustien aukkojen tutkimuksista ja merkkijonoteoriasta, joissa yksi fyysisen skenaarion kuvaus voitiin kääntää yhtä päteväksi näkemykseksi siitä yhdellä ylimääräisellä avaruudellisella ulottuvuudella. Vuoden 1994 lehdessä nimeltä "Maailma hologrammina, " Leonard SusskindStanfordin yliopiston kvanttigravitaatioteoreetikko konkretisoi Hooftin holografista periaatetta väittäen, että yleisen suhteellisuusteorian kuvaama taipuvan aika-avaruuden tilavuus on ekvivalentti tai "kaksois" alueen alemman ulottuvuuden kvanttihiukkasten järjestelmän kanssa. rajaa.

Merkittävä esimerkki holografiasta saapui kolme vuotta myöhemmin. Juan Maldacena, kvanttigravitaatioteoreetikko, joka työskentelee nyt Institute for Advanced Studyssa Princetonissa, New Jerseyssä, löysi että eräänlainen tila nimeltä anti-de Sitter (AdS) -tila on todellakin hologrammi.

Todellinen universumi on de Sitter -avaruus, jatkuvasti kasvava pallo, jota ajaa ulospäin oma positiivinen energiansa. Sitä vastoin AdS-avaruus on täynnä negatiivista energiaa – mikä johtuu yhden vakion etumerkin erosta yleisen suhteellisuusteorian yhtälöissä – mikä antaa avaruudelle "hyperbolisen" geometrian: Objektit kutistuvat liikkuessaan ulospäin tilan keskustasta, muuttumassa äärettömän pieneksi ulkorajalla. Maldacena osoitti, että aika-avaruus ja painovoima AdS-universumin sisällä vastaavat tarkasti rajalla olevan kvanttijärjestelmän ominaisuuksia (erityisesti järjestelmä, jota kutsutaan konformikenttäteoriaksi tai CFT:ksi).

Maldacenan vuoden 1997 pommipaperi, joka kuvaa tätä "AdS/CFT-kirjeenvaihtoa", on lainattu myöhemmissä tutkimuksissa 22,000 XNUMX kertaa - keskimäärin yli kahdesti päivässä. "AdS/CFT:hen perustuvien ideoiden hyödyntäminen on ollut tuhansien parhaiden teoreetikkojen päätavoite vuosikymmeniä", sanoi Peter Woit, matemaattinen fyysikko Columbian yliopistosta.

Kun Maldacena itse tutki AdS/CFT-karttansa dynaamisten tila-aikojen ja kvanttijärjestelmien välillä, hän teki uuden löydön madonrei'istä. Hän tutki tiettyä kietoutumismallia, johon sisältyi kaksi hiukkasjoukkoa, jossa jokainen hiukkanen yhdessä joukossa on sotkeutunut toiseen hiukkaseen. Maldacena osoittivat että tämä tila on matemaattisesti kaksinainen melko dramaattiselle hologrammille: AdS-avaruuden mustalle aukkoparille, joiden sisätilat yhdistyvät madonreiän kautta.

Vuosikymmen piti kulua ennen kuin Maldacena vuonna 2013 (olosuhteissa, jotka "selvästi sanottuna en muista", hän sanoo), tajusi, että hänen löytönsä saattoi merkitä yleisempää vastaavuutta kvanttikietoutumisen ja madonreiän kautta tapahtuvan yhteyden välillä. Hän loi salaperäisen pienen yhtälön - ER = EPR - sähköpostissa Susskindille, joka ymmärsi heti. Kaksi nopeasti kehitti oletuksen yhdessä kirjoittaen: "Väitteellämme, että Einstein Rosenin silta kahden mustan aukon välillä syntyy EPR:n kaltaisista korrelaatioista kahden mustan aukon mikrotilojen välillä" ja että kaksinaisuus saattaa olla yleisempää: "On erittäin houkuttelevaa mieti sitä Kaikki EPR-korreloitu järjestelmä on yhdistetty jonkinlaisella ER-sillalla.

Ehkä madonreikä yhdistää jokaisen maailmankaikkeuden sotkeutuneen hiukkasparin muodostaen spatiaalisen yhteyden, joka tallentaa heidän yhteisen historiansa. Ehkä Einsteinin aavistus siitä, että madonrei'illä on tekemistä hiukkasten kanssa, oli oikea.

Tukeva silta

Kun Jafferis kuuli Maldacenan luennon ER = EPR:stä konferenssissa vuonna 2013, hän tajusi, että oletetun kaksinaisuuden pitäisi antaa sinun suunnitella räätälöityjä madonreikiä räätälöimällä sotkeutumiskuviota.

Tavalliset Einstein-Rosen-sillat ovat pettymys sci-fi-faneille kaikkialla: jos sellainen muodostuisi, se romahtaisi nopeasti oman painovoimansa vaikutuksesta ja puristuisi irti kauan ennen kuin avaruusalus tai mikään muu pääsisi läpi. Mutta Jafferis kuvitteli yhdistävänsä langan tai minkä tahansa muun fyysisen yhteyden kahden kietoutuvan hiukkasjoukon välille, jotka koodaavat madonreiän kahta suuta. Tällaisella kytkennällä työskentely toisella puolella olevilla hiukkasilla aiheuttaisi muutoksia toisella puolella oleviin hiukkasiin, mikä kenties tukisi niiden välistä madonreikää. "Voiko olla, että se tekee madonreiästä läpikäytävän?" Jafferis muistelee ihmetellen. Lapsuudesta asti kiehtonut madonreiät – fysiikan ihmelapsi, hän aloitti Yalen yliopistossa 14-vuotiaana – Jafferis jatkoi kysymystä "melkein huvin vuoksi".

Takaisin Harvardiin, hän ja Ping Gao, hänen tuolloin valmistunut opiskelija, ja Aron Wall, sitten vieraileva tutkija laski lopulta, että todellakin yhdistämällä kaksi joukkoa kietoutuneita hiukkasia, voit suorittaa vasemmanpuoleiselle joukolle toiminnon, joka kaksiulotteisessa, korkeamman ulottuvuuden aika-avaruuskuvassa pitää auki johtavan madonreiän. oikeaan suuhun ja työntää kubitin läpi.

Jafferis, Gao ja Wall's 2016 löytö Tämä holografinen, läpikäytävä madonreikä avasi tutkijoille uuden ikkunan holografian mekaniikkaan. "Se, että jos teet oikeita asioita ulkopuolelta, voit päätyä läpi, se tarkoittaa myös sitä, että voit nähdä madonreiän", Jafferis sanoi. "Se tarkoittaa, että on mahdollista tutkia tätä tosiasiaa, että kaksi sotkeutunutta järjestelmää kuvataan jollain kytketyllä geometrialla."

Muutamassa kuukaudessa Maldacena ja kaksi kollegaa olivat kehittäneet suunnitelmaa osoittamalla, että läpikäytävä madonreikä voidaan toteuttaa yksinkertaisessa ympäristössä - "kvanttijärjestelmä, joka on tarpeeksi yksinkertainen, jotta voimme kuvitella sen tekevän", Jafferis sanoi.

SYK-malli, kuten sitä kutsutaan, on ainehiukkasten järjestelmä, jotka vuorovaikuttavat ryhmissä tavallisten parien sijaan. Subir Sachdev ja Jinwu Ye kuvasivat ensimmäisen kerran vuonna 1993, ja malli oli yhtäkkiä paljon tärkeämpi vuodesta 2015 lähtien, jolloin teoreettinen fyysikko Aleksei Kitaev havaitsi sen olevan holografinen. Samana vuonna Santa Barbarassa Kaliforniassa pidetyssä luennossa Kitaev (josta tuli SYK:n K) täytti useita liitutauluja todisteilla siitä, että mallin tietty versio, jossa ainehiukkaset vuorovaikuttavat neljän hengen ryhmissä, on matemaattisesti kartoitettava yksiulotteiseksi mustaksi. reikä mainostilassa, identtiset symmetriat ja muut ominaisuudet. "Jotkut vastaukset ovat samat näissä kahdessa tapauksessa", hän kertoi hämmästyneelle yleisölle. Maldacena istui eturivissä.

Yhdistetään pisteitä, Maldacena ja yhteistyökumppanit ehdotettu että kaksi toisiinsa yhdistettyä SYK-mallia voisivat koodata Jafferiksen, Gaon ja Wallin läpikäytävän madonreiän kaksi suua. Jafferis ja Gao juoksivat lähestymisen mukana. Vuoteen 2019 mennessä he löysivät tiensä konkreettinen resepti kubitin informaation teleportoimiseksi yhdestä nelisuuntaisesti vuorovaikutteisten hiukkasten järjestelmästä toiseen. Kaikkien hiukkasten pyörimissuuntien pyörittäminen muuttuu kaksoisavaruus-aikakuvassa negatiivisen energian iskuaaltoksi, joka pyyhkäisee madonreiän läpi potkien kubitin eteenpäin ja ennustettavana aikana ulos suusta.

"Jafferisin madonreikä on ensimmäinen konkreettinen toteutus ER = EPR:stä, jossa hän näyttää suhteen pätevän täsmälleen tietylle järjestelmälle", sanoi. Alex Zlokapa, jatko-opiskelija Massachusetts Institute of Technologyssa ja toinen kirjoittaja uudessa kokeessa.

Madonreikä laboratoriossa

Teoreettisen työn kehittyessä Maria Spiropulu, taitava kokeellinen hiukkasfyysikko, joka osallistui Higgsin bosonin löytämiseen vuonna 2012, pohti sitä, kuinka orastelevia kvanttitietokoneita voitaisiin käyttää holografisten kvanttigravitaatiokokeiden tekemiseen. Vuonna 2018 hän suostutteli Jafferisin liittymään kasvavaan tiimiinsä yhdessä Google Quantum AI:n tutkijoiden kanssa, jotka ovat Sycamore-laitteen pitäjiä.

Spiropulun tiimin täytyi yksinkertaistaa protokollaa huomattavasti käyttääkseen Jafferiksen ja Gaon madonreiän teleportaatioprotokollaa nykyaikaisessa, mutta silti pienessä ja virhealttiissa kvanttitietokoneessa. Täysi SYK-malli koostuu käytännöllisesti katsoen äärettömän monista hiukkasista, jotka on kytketty toisiinsa satunnaisin vahvuuksin, kun nelisuuntaisia ​​vuorovaikutuksia tapahtuu kaikkialla. Tämä ei ole mahdollista laskea; jopa kaikkien 50 parittoman saatavilla olevan kubitin käyttäminen olisi vaatinut satoja tuhansia piirioperaatioita. Tutkijat päättivät luoda holografisen madonreiän, jossa on vain seitsemän kubittia ja satoja operaatioita. Tätä varten heidän täytyi "harventaa" seitsemän hiukkasen SYK-mallia niin, että se koodaa vain vahvimmat nelisuuntaiset vuorovaikutukset ja syrjäytti loput, säilyttäen samalla mallin holografiset ominaisuudet. "Kesti pari vuotta keksiä fiksu tapa tehdä se", Spiropulu sanoi.

Yksi menestyksen salaisuus oli Zlokapa, orkesteripoika, joka liittyi Spiropulun tutkimusryhmään Caltechin ala-asteella. Lahjakas ohjelmoija Zlokapa kartoitti SYK-mallin hiukkasvuorovaikutukset hermoverkon hermosolujen välisiin yhteyksiin ja koulutti järjestelmän poistamaan mahdollisimman monta verkkoyhteyttä säilyttäen samalla avaimen madonreiän allekirjoituksen. Menettely vähensi nelisuuntaisten vuorovaikutusten määrän sadoista viiteen.

Sen myötä tiimi alkoi ohjelmoida Sycamoren kubitteja. Seitsemän kubittiä koodaa 14 ainehiukkasta – seitsemän kummassakin vasemmassa ja oikeassa SYK-järjestelmässä, jossa jokainen vasemmalla oleva hiukkanen on sotkeutunut yhteen oikeanpuoleiseen. Kahdeksas kubitti jossain todennäköisyyspohjaisessa tilojen 0 ja 1 yhdistelmässä vaihdetaan sitten yhdellä vasemmanpuoleisen SYK-mallin hiukkasista. Tuon kubitin mahdolliset tilat sotkeutuvat nopeasti muiden vasemmalla olevien hiukkasten tiloihin ja levittävät tiedot tasaisesti niiden kesken kuin mustepisara vedessä. Tämä on holografisesti kaksinkertainen kubitin kanssa, joka tulee yksiulotteisen madonreiän vasempaan suuhun AdS-tilassa.

Sitten tulee kaikkien kubittien suuri kierto, kaksinkertainen negatiivisen energian pulssin kanssa, joka kulkee madonreiän läpi. Kierto saa injektoidun kubitin siirtymään oikeanpuoleisen SYK-mallin hiukkasiin. Sitten informaatio ei leviä, Preskill sanoi, "kuin kaaos juoksisi taaksepäin" ja keskittyy uudelleen yhden oikealla olevan hiukkasen kohtaan - vasemmanpuoleisen hiukkasen sotkeutuneeseen kumppaniin, joka vaihdettiin. Sitten kaikki kubittien tilat mitataan. Nollan ja 0:n laskeminen useiden kokeellisten ajojen aikana ja näiden tilastojen vertaaminen injektoitujen kubittien valmisteltuun tilaan paljastaa, ovatko kubitit teleportoitumassa.

Tutkijat etsivät tiedoista huippua, joka edustaa eroa kahden tapauksen välillä: Jos he näkevät huipun, se tarkoittaa, että qubit-kierrokset, jotka ovat kaksinkertaisia ​​negatiivisen energian pulsseille, mahdollistavat kubittien teleportaamisen, kun taas kierrokset vastakkaiseen suuntaan, jotka ovat kaksinkertainen normaalin, positiivisen energian pulsseille, älä päästä kubitteja läpi. (Sen sijaan ne saavat madonreiän sulkeutumaan.)

Myöhään eräänä tammikuun iltana kahden vuoden asteittaisten parannusten ja melun vähentämisponnistelujen jälkeen Zlokapa suoritti valmiin protokollan Sycamoressa etäältä lapsuuden makuuhuoneestaan ​​San Franciscon lahden alueella, jossa hän vietti talvilomaa ensimmäisen lukukauden jälkeen. .

Huippu ilmestyi hänen tietokoneensa näytölle.

"Se muuttui terävämmäksi ja terävämmäksi", hän sanoi. "Lähetin Marialle kuvakaappauksia huipusta ja innostuin kovasti kirjoittaessani: "Luulen, että näemme nyt madonreiän." Huippu oli "ensimmäinen merkki siitä, että voit nähdä painovoiman kvanttitietokoneella."

Spiropulu kertoo tuskin uskovansa näkemäänsä puhdasta, selkeää huippua. "Se oli hyvin samanlainen kuin silloin, kun näin ensimmäiset tiedot Higgsin löydöstä", hän sanoi. "Ei siksi, ettenkö olisi odottanut sitä, mutta se tuli liikaa naamalleni."

Yllättäen tutkijat havaitsivat madonreikänsä luuston yksinkertaisuudesta huolimatta, että madonreiän dynamiikka on herkkä malli tavassa, jolla informaatio leviää ja leviämättä kubittien joukossa, jotka tunnetaan nimellä "kokokäämitys". He eivät olleet kouluttaneet hermoverkkoaan säilyttämään tätä signaalia, koska se harvensi SYK-mallia, joten se tosiasia, että kokokäämitys näkyy joka tapauksessa, on kokeellinen löytö holografiasta.

"Emme vaatineet mitään tästä käämityskiinteistöstä, mutta huomasimme, että se vain ponnahti ulos", Jafferis sanoi. Tämä "vahvisti holografisen kaksinaisuuden kestävyyden", hän sanoi. "Anna yksi [ominaisuus] näkyviin, niin saat kaikki loput, mikä on eräänlainen todiste siitä, että tämä gravitaatiokuva on oikea."

Madonreiän merkitys

Jafferis, joka ei koskaan odottanut osallistuvansa madonreikäkokeeseen (tai mihinkään muuhun), uskoo, että yksi tärkeimmistä huomioista on se, mitä kokeilu sanoo kvanttimekaniikasta. Kvanttiilmiöt, kuten takertuminen, ovat yleensä läpinäkymättömiä ja abstrakteja; emme esimerkiksi tiedä kuinka hiukkasen A mittaus määrittää B:n tilan kaukaa. Mutta uudessa kokeessa sanoinkuvaamattomalla kvanttiilmiöllä – hiukkasten välillä teleporttuvalla informaatiolla – on konkreettinen tulkinta hiukkaseksi, joka saa energiapotkun ja liikkuu laskettavalla nopeudella paikasta A paikkaan B. kubitin näkökulmasta; se liikkuu kausaalisesti", sanoi Jafferis. Ehkä kvanttiprosessi, kuten teleportaatio, "tuntuu aina gravitaatiolta tuohon kubittiin. Jos jotain sellaista voisi tulla ulos tästä kokeesta ja muista siihen liittyvistä kokeista, se varmasti kertoo meille jotain syvällistä universumistamme."

Susskind, joka sai varhain katsauksen tämän päivän tuloksiin, sanoi toivovansa, että tulevia madonreikäkokeita, joissa on paljon enemmän kubitteja, voidaan käyttää madonreiän sisäpuolen tutkimiseen keinona tutkia painovoiman kvanttiominaisuuksia. "Tekemällä mittauksia siitä, mitä läpi meni, voit kuulustella sitä ja nähdä, mitä oli sisällä", hän sanoi. "Se näyttää minusta mielenkiintoiselta tieltä."

Jotkut fyysikot sanovat, että koe ei kerro meille mitään universumistamme, koska se havaitsee kaksinaisuuden kvanttimekaniikan ja anti-de Sitter -avaruuden välillä, mitä universumimme ei ole.

Niiden 25 vuoden aikana, jotka Maldacena löysi AdS/CFT-kirjeenvaihdon, fyysikot ovat etsineet samanlaista holografista kaksinaisuutta de Sitter -avaruudelle – karttaa, joka kulkee kvanttijärjestelmästä positiivisesti energisoituun, laajenevaan de Sitter -universumiin, jossa elämme. Mutta edistystä on tapahtunut. paljon hitaampi kuin AdS, mikä saa jotkut epäilemään, onko de Sitter -avaruus ollenkaan holografinen. "Kysymyksiä kuten "Entä tämän saaminen toimimaan dS:n fyysisemmässä tapauksessa?" eivät ole uusia vaan hyvin vanhoja, ja ne ovat olleet kymmenien tuhansien henkilövuosien epäonnistumisen kohteena", sanoi AdS/CFT-tutkimuksen kriitikko Woit. "Tarvitaan aivan erilaisia ​​ideoita."

Kriitikot väittävät, että nämä kaksi avaruustyyppiä eroavat kategorisesti: AdS:llä on ulkoraja ja dS-avaruudella ei ole, joten ei ole sujuvaa matemaattista siirtymää, joka voisi muuttaa toisensa toiseksi. Ja AdS-tilan kova raja on juuri se asia, joka tekee holografiasta helppoa siinä ympäristössä, tarjoten kvanttipinnan, josta tila projisoidaan. Vertailun vuoksi de Sitter -universumissamme ainoat rajat ovat kauimpana näkemämme ja ääretön tulevaisuus. Nämä ovat sameita pintoja, joista voi yrittää projisoida tila-aika-hologrammia.

Renate Loll, tunnettu kvanttigravitaatioteoreetikko Radboudin yliopistosta Alankomaista, korosti myös, että madonreikäkoe koskee 2D-avaruus-aikaa – madonreikä on filamentti, jossa on yksi tilaulottuvuus plus aikaulottuvuus – kun taas painovoima on monimutkaisempaa 4D-avaruudessa. "On melko houkuttelevaa sotkeutua 2D-lelumallien monimutkaisuuteen", hän sanoi sähköpostitse, "ja unohtaa erilaiset ja suuremmat haasteet, jotka odottavat meitä 4D-kvanttigravitaatiossa. Tämän teorian kannalta en voi ymmärtää, kuinka kvanttitietokoneet voivat nykyisellä kyvyllään olla paljon avuksi… mutta kestän mielelläni oikaisun."

Useimmat kvanttigravitaation tutkijat uskovat, että nämä ovat kaikki vaikeita mutta ratkaistavissa olevia ongelmia - että 4D de Sitter -avaruutta kutova kietoutumiskuvio on monimutkaisempi kuin 2D-mainoksissa, mutta voimme silti ottaa yleiset opetukset tutkimalla holografiaa yksinkertaisemmissa olosuhteissa. Tämä leiri näkee kaksi tilaa, dS ja AdS, enemmän samanlaisina kuin erilaisina. Molemmat ovat ratkaisuja Einsteinin suhteellisuusteoriaan, eroavat toisistaan ​​vain miinusmerkillä. Sekä dS- että AdS-universumit sisältävät mustia aukkoja, joita kohtaavat samat paradoksit. Ja kun olet syvällä AdS-tilassa, kaukana sen ulkoseinästä, et tuskin erottaa ympäristöäsi de Sitteristä.

Silti Susskind on samaa mieltä siitä, että on aika tulla totta. "Mielestäni meidän on aika päästä ulos AdS-tilan suojaavan kerroksen alta ja avautua maailmalle, jolla saattaa olla enemmän tekemistä kosmologian kanssa", hän sanoi. "De Sitter -avaruus on toinen peto."

Tätä varten Susskindilla on uusi idea. Sisään esipainos syyskuussa verkossa julkaistussa artikkelissa hän ehdotti, että de Sitter-avaruus voisi olla hologrammi SYK-mallin eri versiosta – ei siitä, jossa on nelisuuntainen hiukkasvuorovaikutus, vaan sellainen, jossa kuhunkin vuorovaikutukseen osallistuvien hiukkasten määrä kasvaa neliön mukaan. hiukkasten kokonaismäärän juuri. Tämä SYK-mallin "kaksinkertainen raja" "käyttäytyy enemmän kuin de Sitter kuin AdS", hän sanoi. "Ei ole kaukana todisteista, mutta on olemassa oleellisia todisteita."

Tällainen kvanttijärjestelmä on monimutkaisempi kuin tähän mennessä ohjelmoitu, ja "enkö tiedä, toteutuuko tuo raja laboratoriossa", Susskind sanoi. Varmalta näyttää, että nyt, kun siellä on yksi holografinen madonreikä, avautuu lisää.