פיזיקאים יוצרים חור תולעת באמצעות מחשב קוונטי

פיזיקאים יצרו כביכול את חור התולעת הראשון אי פעם, מעין מנהרה שהוכנה ב-1935 על ידי אלברט איינשטיין ונתן רוזן, שמובילה ממקום אחד למשנהו על ידי מעבר למימד נוסף של מרחב.

חור התולעת הגיח כמו הולוגרמה מתוך פיסות מידע קוונטיות, או "קווביטים", המאוחסנים במעגלים זעירים מוליכים. על ידי מניפולציה של הקיוביטים, הפיזיקאים שלחו מידע דרך חור התולעת, הם דיווח היום בכתב העת טבע.

הצוות, בראשות מריה ספירופולו מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה, יישם את "פרוטוקול הטלפורטציה של חורי תולעת" החדש באמצעות המחשב הקוונטי של גוגל, מכשיר בשם Sycamore שנמצא ב-Google Quantum AI בסנטה ברברה, קליפורניה. עם "ניסוי כבידה קוונטי על שבב" הראשון מסוגו, כפי שספירופולו תיארה אותו, היא והצוות שלה ניצחו קבוצה מתחרה של פיזיקאים שמטרתם לעשות טלפורטציה של חורי תולעת עם המחשבים הקוונטים של IBM ו-Quantinuum.

כשספירופולו ראתה את חתימת המפתח המציינת שקיוביטים עוברים דרך חור התולעת, היא אמרה, "הייתי מזועזע".

ניתן לראות בניסוי עדות לעיקרון ההולוגרפי, השערה גורפת לגבי האופן שבו שני עמודי התווך של הפיזיקה היסודית, מכניקת הקוונטים ותורת היחסות הכללית, משתלבים זה בזה. פיזיקאים חתרו מאז שנות ה-1930 ליישב את התיאוריות המפורקות הללו - האחת, ספר חוקים לאטומים וחלקיקים תת-אטומיים, השנייה, תיאורו של איינשטיין כיצד חומר ואנרגיה מעוותים את מארג המרחב-זמן, ויוצרים כוח משיכה. העיקרון ההולוגרפי, שעלה מאז שנות ה-1990, מציב שוויון מתמטי או "דואליות" בין שתי המסגרות. הוא אומר שרצף המרחב-זמן העקום המתואר על ידי תורת היחסות הכללית הוא באמת מערכת קוונטית של חלקיקים בתחפושת. מרחב-זמן וכוח המשיכה נובעים מהשפעות קוונטיות בדומה להולוגרמה תלת-ממדית שמקרינה מתוך תבנית דו-ממדית.

ואכן, הניסוי החדש מאשר כי השפעות קוונטיות, מהסוג שאנו יכולים לשלוט בהן במחשב קוונטי, יכולות להוליד תופעה שאנו מצפים לראות בתורת היחסות - חור תולעת. למערכת המתפתחת של קיוביטים בשבב השקמה "יש תיאור חלופי ממש מגניב", אמר ג'ון פרסקיל, פיזיקאי תיאורטי ב-Caltech שלא היה מעורב בניסוי. "אתה יכול לחשוב על המערכת בשפה שונה מאוד ככבידה."

שיהיה ברור, בניגוד להולוגרמה רגילה, חור התולעת הוא לא משהו שאנחנו יכולים לראות. אמנם זה יכול להיחשב "חוט של מרחב-זמן אמיתי", על פי מחבר שותף דניאל ג'אפריס מאוניברסיטת הרווארד, מפתח ראשי של פרוטוקול הטלפורטציה של חורי תולעת, זה לא חלק מאותה מציאות שבה אנו ומחשב השקמה חיים. העיקרון ההולוגרפי אומר ששתי המציאויות - זו עם חור התולעת וזו עם הקיוביטים - הן גרסאות חלופיות של אותה פיזיקה, אבל איך להמשיג סוג זה של דואליות נשאר מסתורי.

הדעות יהיו חלוקות לגבי ההשלכות הבסיסיות של התוצאה. באופן מכריע, חור התולעת ההולוגרפי בניסוי מורכב מסוג אחר של מרחב-זמן מאשר המרחב-זמן של היקום שלנו. אפשר להתווכח אם הניסוי מקדם את ההשערה שהמרחב-זמן שאנו חיים בו הוא גם הולוגרפי, מעוצב על ידי סיביות קוונטיות.

"אני חושב שזה נכון שכוח הכבידה ביקום שלנו נובע מכמה [סיביות] קוונטיות באותו אופן שבו חור התולעת החד-ממדי של התינוק הקטן הזה מופיע" משבב השקמה, אמר ג'פריס. "כמובן שאנחנו לא יודעים את זה בוודאות. אנחנו מנסים להבין את זה".

לתוך חור התולעת

סיפורו של חור התולעת ההולוגרפי חוזר לשני מאמרים שלכאורה לא קשורים זה לזה שפורסמו ב-1935: אחד מאת איינשטיין ורוזן, המכונה ER, האחרים על ידי שניהם ובוריס פודולסקי, המכונה EPR. שניות המיון והן ה-EPR נשפטו בתחילה כעבודות שוליות של ה-E הגדול. זה השתנה.

במאמר ER, איינשטיין ועוזרו הצעיר, רוזן, נתקלו באפשרות של חורי תולעת תוך ניסיון להרחיב את תורת היחסות הכללית לתיאוריה מאוחדת של הכל - תיאור לא רק של מרחב-זמן, אלא של החלקיקים התת-אטומיים התלויים בו. הם התעמקו בחסרונות במרקם המרחב-זמן שמצא החייל-פיזיקאי הגרמני קרל שוורצשילד בין קפלי תורת היחסות הכללית ב-1916, חודשים ספורים לאחר שאיינשטיין פרסם את התיאוריה. שוורצשילד הראה שמסה יכולה למשוך את עצמה מבחינה כבידתית עד כדי כך שהיא נעשית מרוכזת לאין שיעור בנקודה, מתעקלת שם את המרחב-זמן בצורה כה חדה שמשתנים הופכים לאינסוף ומשוואות איינשטיין לא מתפקדות. כעת אנו יודעים שה"ייחודיות" הללו קיימות בכל היקום. אלו נקודות שאיננו יכולים לתאר או לראות, כל אחת מהן מוסתרת במרכזו של חור שחור שלוכד באופן כבידתי את כל האור הקרוב. הסינגולריות הן המקום שבו יש צורך ביותר תורת קוואנטים של כוח הכבידה.

איינשטיין ורוזן שיערו שהמתמטיקה של שוורצשילד עשויה להיות דרך לחבר חלקיקים יסודיים לתורת היחסות הכללית. כדי לגרום לתמונה לעבוד, הם גזרו את הייחודיות מהמשוואות שלו, והחליפו משתנים חדשים שהחליפו את הנקודה החדה בצינור חוץ-ממדי המחליק לחלק אחר של המרחב-זמן. איינשטיין ורוזן טענו, בטעות אך בדעתנות, ש"גשרים" אלו (או חורי תולעת) עשויים לייצג חלקיקים.

למרבה האירוניה, בשאיפה לקשר בין חורי תולעת וחלקיקים, הצמד לא התחשב בתופעת החלקיקים המוזרה שהם זיהו חודשיים קודם לכן עם פודולסקי, במאמר EPR: הסתבכות קוונטית.

הסתבכות נוצרת כאשר שני חלקיקים מקיימים אינטראקציה. על פי כללי הקוונטים, לחלקיקים יכולים להיות מספר מצבים אפשריים בו-זמנית. המשמעות היא שלאינטראקציה בין חלקיקים יש מספר תוצאות אפשריות, תלוי באיזה מצב נמצא כל חלקיק מלכתחילה. עם זאת, תמיד, המצבים המתקבלים שלהם יהיו קשורים - איך חלקיק A יגיע בסופו של דבר תלוי איך חלקיק B יתברר. לאחר אינטראקציה כזו, לחלקיקים יש נוסחה משותפת שמפרטת את המצבים המשולבים השונים שבהם הם עשויים להיות.

התוצאה המזעזעת, שגרמה למחברי ה-EPR לפקפק בתורת הקוונטים, היא "פעולה מפחידה מרחוק", כפי שניסח זאת איינשטיין: מדידת חלקיק A (הבוחר מציאות אחת מבין האפשרויות שלו) מחליטה באופן מיידי את המצב התואם של B, לא משנה כמה רחוק ב'.

ההסתבכות גדלה בחשיבות נתפסת מאז שפיזיקאים גילו בשנות ה-1990 שהיא מאפשרת סוגים חדשים של חישובים. הסתבכות של שני קיוביטים - עצמים קוונטיים כמו חלקיקים הקיימים בשני מצבים אפשריים, 0 ו-1 - מניבה ארבעה מצבים אפשריים עם הסתברויות שונות (0 ו-0, 0 ו-1, 1 ו-0, ו-1 ו-1). שלושה קיוביטים יוצרים שמונה אפשרויות בו זמנית, וכן הלאה; כוחו של "מחשב קוונטי" גדל באופן אקספוננציאלי עם כל קיוביט סבוך נוסף. תזמר בחוכמה את ההסתבכות, ותוכל לבטל את כל השילובים של 0 ו-1 מלבד הרצף שנותן את התשובה לחישוב. אב טיפוס של מחשבים קוונטיים העשויים מכמה עשרות קיוביטים התממשו בשנתיים האחרונות, ובראשם מכונת 54 קיוביט של גוגל של גוגל.

בינתיים, חוקרי כבידה קוונטית התקבעו על הסתבכות קוונטית מסיבה נוספת: כקוד המקור האפשרי של הולוגרמת המרחב-זמן.

ER = EPR

הדיבורים על מרחב-זמן והולוגרפיה מתעוררים החלו בסוף שנות ה-1980, לאחר שתיאורטיקן החורים השחורים ג'ון ווילר פירסם את ההשקפה שמרחב-זמן וכל מה שיש בו עשוי לנבוע ממידע. עד מהרה, חוקרים אחרים, כולל הפיזיקאי ההולנדי ג'רארד ט הופט, תהו האם הופעה זו עשויה להידמות להקרנה של הולוגרמה. דוגמאות צצו במחקרי חורים שחורים ובתורת המיתרים, שבהם ניתן לתרגם תיאור אחד של תרחיש פיזיקלי לראייה תקפה לא פחות שלו עם מימד מרחבי אחד נוסף. במאמר משנת 1994 שכותרתו "העולם כהולוגרמה" לאונרד סוסקינד, תאורטיקן כבידה קוונטית מאוניברסיטת סטנפורד, פיתח את העיקרון ההולוגרפי של 'ט הופט, בטענה שנפח של מרחב-זמן עקום המתואר על ידי תורת היחסות הכללית שווה ערך, או "כפול", למערכת של חלקיקים קוונטיים במימד התחתון של האזור גְבוּל.

דוגמה חשובה להולוגרפיה הגיעה שלוש שנים מאוחר יותר. חואן מלדצ'נה, תורת כבידה קוונטית כעת במכון למחקר מתקדם בפרינסטון, ניו ג'רזי, גילה שסוג של מרחב שנקרא מרחב anti-de Sitter (AdS) הוא אכן הולוגרמה.

היקום האמיתי הוא מרחב דה סיטר, כדור שהולך וגדל ללא הרף המונע החוצה על ידי האנרגיה החיובית שלו. לעומת זאת, חלל AdS חדור באנרגיה שלילית - הנובעת מהבדל בסימן של קבוע אחד במשוואות היחסות הכללית - נותן למרחב גיאומטריה "היפרבולית": עצמים מתכווצים כשהם נעים החוצה ממרכז המרחב, הופך לאינפיניטסימלי בגבול חיצוני. Maldacena הראה שמרחב-זמן וכוח הכבידה בתוך יקום AdS תואמים בדיוק למאפיינים של מערכת קוונטית על הגבול (באופן ספציפי מערכת הנקראת תיאוריית שדות קונפורמית, או CFT).

מאמר הפצצה של Maldacena משנת 1997 המתאר את "תכתובת AdS/CFT" זו צוטט על ידי מחקרים שלאחר מכן 22,000 פעמים - יותר מפעמיים ביום בממוצע. "הניסיון לנצל רעיונות המבוססים על AdS/CFT היה המטרה העיקרית של אלפי התיאורטיקנים הטובים ביותר במשך עשרות שנים", אמר פיטר וייט, פיזיקאי מתמטי באוניברסיטת קולומביה.

כאשר Maldacena עצמו חקר את מפת ה-AdS/CFT שלו בין זמני מרחב דינמיים ומערכות קוונטיות, הוא גילה תגלית חדשה על חורי תולעת. הוא חקר תבנית הסתבכות מסוימת הכוללת שתי קבוצות של חלקיקים, כאשר כל חלקיק בקבוצה אחת מסתבך עם חלקיק בקבוצה השנייה. מלדצנה הראה שהמצב הזה הוא כפול מתמטית להולוגרמה די דרמטית: זוג חורים שחורים בחלל ה-AdS שהפנים שלהם מתחברים דרך חור תולעת.

היה צריך לעבור עשור עד שמלדצ'נה, ב-2013 (בנסיבות ש"למען האמת, אני לא זוכר", הוא אומר), הבין שהתגלית שלו עשויה להצביע על התאמה כללית יותר בין הסתבכות קוונטית לחיבור דרך חור תולעת. הוא טבע משוואה קטנה וסתמית - ER = EPR - במייל לססקינד, שהבין מיד. השניים במהירות פיתח את ההשערה יחד, כותבים, "אנו טוענים שגשר איינשטיין רוזן בין שני חורים שחורים נוצר על ידי מתאמים דמויי EPR בין המיקרו-מצבים של שני החורים השחורים", וכי הדואליות עשויה להיות כללית יותר מזה: "זה מאוד מפתה חושב ש כל מערכת מתאם EPR מחוברת על ידי איזה גשר ER."

אולי חור תולעת מקשר בין כל זוג חלקיקים מסובכים ביקום, ויוצר קשר מרחבי שמתעד את ההיסטוריה המשותפת שלהם. אולי הניחוש של איינשטיין שחורי תולעת קשורים לחלקיקים הייתה נכונה.

גשר יציב

כשג'אפריס שמע את Maldacena מרצה על ER = EPR בכנס בשנת 2013, הוא הבין שהדואליות המשוערת צריכה לאפשר לך לעצב חורי תולעת מותאמים אישית על ידי התאמה אישית של דפוס ההסתבכות.

גשרים סטנדרטיים של איינשטיין-רוזן הם אכזבה לחובבי המדע הבדיוני בכל מקום: אם אחד כזה נוצר, הוא היה מתמוטט במהירות תחת כוח המשיכה שלו וצבוט הרבה לפני שחללית או כל דבר אחר יכלו לעבור. אבל ג'אפריס דמיין למתוח חוט או כל קשר פיזי אחר בין שתי קבוצות החלקיקים המסובכים המקודדים את שני פיותיו של חור תולעת. עם סוג זה של צימוד, הפעלה של החלקיקים בצד אחד תגרום לשינויים בחלקיקים בצד השני, ואולי תניע את חור התולעת ביניהם. "יכול להיות שזה הופך את חור התולעת למעבר?" ג'אפריס נזכר בתמיהה. לאחר שהיה מוקסם מחורי תולעת מאז ילדותו - ילד פלא בפיזיקה, הוא התחיל באוניברסיטת ייל בגיל 14 - ג'אפריס המשיך את השאלה "כמעט בשביל הכיף".

בחזרה בהרווארד, הוא ו פינג גאו, תלמידו לתואר שני בזמנו, ו קיר ארון, אז חוקר אורח, חישב בסופו של דבר שאכן, על ידי צימוד שתי קבוצות של חלקיקים מסתבכים, אתה יכול לבצע פעולה על הסט השמאלי שבתמונת המרחב-זמן הדו-ממדית הגבוהה יותר, מחזיקה את חור התולעת המוביל פתוח. אל הפה הימני ודוחף קיוביט דרכו.

ג'אפריס, גאו ווול'ס תגלית 2016 של חור התולעת ההולוגרפי, הניתן למעבר, נתן לחוקרים צוהר חדש למכניקה של ההולוגרפיה. "העובדה שאם אתה עושה את הדברים הנכונים מבחוץ אתה יכול בסופו של דבר לעבור, זה גם אומר שאתה יכול לראות פנימה" את חור התולעת, אמר ג'אפריס. "זה אומר שאפשר לחקור את העובדה הזו ששתי מערכות מסתבכות מתוארות על ידי גיאומטריה מחוברת כלשהי."

בתוך חודשים, Maldacena ושני עמיתים בנו על התוכנית על ידי כך שהראו שאפשר לממש את חור התולעת שניתן לחצות בסביבה פשוטה - "מערכת קוונטית פשוטה מספיק כדי שנוכל לדמיין אותה עושה אותה", אמר ג'אפריס.

מודל ה-SYK, כשמו כן הוא, הוא מערכת של חלקיקי חומר המקיימים אינטראקציה בקבוצות, ולא בזוגות הרגילים. תואר לראשונה על ידי Subir Sachdev ו-Jinwu Ye ב-1993, המודל היה פתאום חשוב הרבה יותר החל מ-2015 כשהפיזיקאי התיאורטי אלכסיי קיטאיב גילה שזה הולוגרפי. בהרצאה באותה שנה בסנטה ברברה, קליפורניה, קיטאיב (שהפך ל-K ב-SYK) מילא כמה לוחות גיר בראיות לכך שהגרסה המסוימת של המודל שבה חלקיקי החומר מתקשרים בקבוצות של ארבעה ניתנת למיפוי מתמטית לשחור חד-ממדי. חור בשטח AdS, עם סימטריות זהות ומאפיינים אחרים. "חלק מהתשובות זהות בשני המקרים", אמר לקהל נלהב. מלדצ'נה ישבה בשורה הראשונה.

מחברים את הנקודות, Maldacena ומחברים שותפים מוּצָע ששני דגמי SYK המקושרים יחדיו יכולים לקודד את שני הפיות של חור התולעת של ג'אפריס, גאו ווול. ג'אפריס וגאו רצו עם הגישה. עד 2019, הם מצאו את דרכם מרשם קונקרטי לטלפורטציה של קווביט מידע ממערכת אחת של חלקיקים בעלי אינטראקציה בארבעה כיוונים לאחרת. סיבוב כל כיווני הספין של החלקיקים מתורגם, בתמונת המרחב-זמן הכפולה, לגל הלם באנרגיה שלילית ששוטף את חור התולעת, בועט את הקיוביט קדימה ובזמן צפוי, אל מחוץ לפה.

"חור התולעת של Jafferis הוא המימוש הקונקרטי הראשון של ER = EPR, שבו הוא מראה שהקשר מתקיים בדיוק עבור מערכת מסוימת," אמר אלכס זלוקאפה, סטודנט לתואר שני במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס ומחבר שותף בניסוי החדש.

חור תולעת במעבדה

בזמן שהעבודה התיאורטית התפתחה, מריה ספירופולו, פיזיקאית חלקיקים ניסויית מוכשרת שהייתה מעורבת בגילוי בוזון היגס ב-2012, חשבה כיצד להשתמש במחשבים קוונטיים בתחילת דרכם כדי לבצע ניסויי כבידה קוונטיים הולוגרפיים. ב-2018 היא שכנעה את ג'אפריס להצטרף לצוות ההולך וגדל שלה, יחד עם חוקרים ב-Google Quantum AI - שומרי מכשיר השקמה.

כדי להפעיל את פרוטוקול הטלפורטציה של חורי תולעת של Jafferis וגאו במחשב הקוונטי המתקדם אך עדיין קטן ונוטה לשגיאות, הצוות של Spiropulu היה צריך לפשט מאוד את הפרוטוקול. מודל SYK מלא מורכב מהרבה אינסוף חלקיקים המחוברים זה לזה עם עוצמות אקראיות כאשר מתרחשות אינטראקציות ארבע כיווניות לאורך כל הדרך. זה לא אפשרי לחישוב; אפילו שימוש בכל 50 הקיוביטים הזמינים היה דורש מאות אלפי פעולות מעגל. החוקרים יצאו ליצור חור תולעת הולוגרפי עם שבעה קיוביטים בלבד ומאות פעולות. כדי לעשות זאת, הם היו צריכים "לספוג" את מודל שבעת החלקיקים SYK, לקודד רק את האינטראקציות הארבע-כיווניות החזקות ביותר ולחסל את השאר, תוך שמירה על המאפיינים ההולוגרפיים של המודל. "לקח כמה שנים כדי למצוא דרך חכמה לעשות את זה", אמר ספירפולו.

אחד הסוד להצלחה היה זלוקאפה, ילד תזמורת אופייני שהצטרף לקבוצת המחקר של ספירפולו כתואר ראשון ב-Caltech. מתכנת מחונן, Zlokapa מיפה את אינטראקציות החלקיקים של מודל SYK על הקשרים בין נוירונים של רשת עצבית, ואימן את המערכת למחוק כמה שיותר חיבורי רשת תוך שמירה על חתימת מפתח של חור תולעת. ההליך הפחית את מספר האינטראקציות הארבע-כיווניות ממאות לחמש.

עם זה, הצוות התחיל לתכנת את הקיוביטים של השקמה. שבעה קיוביטים מקודדים 14 חלקיקי חומר - שבעה כל אחד במערכות ה-SYK השמאלית והימנית, כאשר כל חלקיק משמאל מסתבך עם אחד מימין. קיוביט שמיני, בשילוב הסתברותי כלשהו של מצבים 0 ו-1, מוחלף לאחר מכן עם אחד מהחלקיקים ממודל ה-SYK השמאלי. המצבים האפשריים של הקיוביט הזה מסתבכים במהירות עם המצבים של החלקיקים האחרים משמאל, ומפזרים את המידע שלו באופן שווה ביניהם כמו טיפת דיו במים. זה כפול מבחינה הולוגרפית לקיוביט הנכנס לפה השמאלי של חור תולעת חד מימדי בחלל ה-AdS.

ואז מגיע הסיבוב הגדול של כל הקיוביטים, כפול לדופק של אנרגיה שלילית העוברת דרך חור התולעת. הסיבוב גורם להעברת הקיוביט המוזרק לחלקיקים של דגם ה-SYK הימני. ואז המידע מתפוגג, אמר פרסקיל, "כמו כאוס רץ לאחור", ומתמקד מחדש באתר של חלקיק בודד מימין - השותף המסובך של החלקיק השמאלי שהוחלף. אז כל מצבי הקיוביטים נמדדים. התאמה של 0 ו-1 במהלך ריצות ניסוי רבות והשוואה לסטטיסטיקה זו למצב המוכן של הקיוביטים המוזרקים מגלה אם קיוביטים עוברים טלפורטציה.

החוקרים מחפשים שיא בנתונים שמייצג הבדל בין שני מקרים: אם הם רואים את השיא, זה אומר שסיבובי קיוביט שהם כפולים לפולסים של אנרגיה שלילית מאפשרים לקיוביטים לבצע טלפורטציה, בעוד שסיבובים בכיוון ההפוך, שהם כפול לפולסים של אנרגיה תקינה וחיובית, אל תתנו לקיוביטים לעבור. (במקום זאת, הם גורמים לחור התולעת להיסגר.)

לילה אחד מאוחר בינואר, לאחר שנתיים של שיפורים הדרגתיים ומאמצים להפחתת רעש, הפעיל זלוקאפה את הפרוטוקול המוגמר על השקמה מרחוק מחדר השינה בילדותו באזור מפרץ סן פרנסיסקו, שם בילה את חופשת החורף לאחר הסמסטר הראשון שלו ללימודים. .

השיא הופיע על מסך המחשב שלו.

"זה המשיך להיות חד יותר ויותר", אמר. "שלחתי צילומי מסך של הפסגה למריה והתרגשתי מאוד, וכתבתי, 'אני חושב שאנחנו רואים חור תולעת עכשיו'." השיא היה "הסימן הראשון שאפשר לראות את כוח הכבידה במחשב קוונטי".

ספירופולו אומרת שהיא בקושי האמינה לשיא הנקי והמודגש שראתה. "זה היה מאוד דומה לזה שראיתי את הנתונים הראשונים של תגלית היגס", אמרה. "לא בגלל שלא ציפיתי לזה, אבל זה בא לי יותר מדי בפרצוף".

באופן מפתיע, למרות הפשטות השלדית של חור התולעת שלהם, החוקרים זיהו חתימה שנייה של דינמיקה של חור התולעת, דפוס עדין באופן שבו מידע התפשט ובלתי-התפשט בין הקיוביטים הידועים כ"פיתול גודל". הם לא אימנו את הרשת העצבית שלהם לשמר את האות הזה מכיוון שהוא חילץ את מודל ה-SYK, כך שהעובדה שפיתול גודל מופיע בכל מקרה היא גילוי ניסיוני לגבי הולוגרפיה.

"לא דרשנו שום דבר לגבי הנכס המתפתל הזה, אבל גילינו שהוא פשוט צץ החוצה", אמר ג'אפריס. זה "אישר את החוסן" של הדואליות ההולוגרפית, אמר. "תגרום לאחד [נכס] להופיע, ואז תקבל את כל השאר, שזו מעין עדות לכך שתמונת הכבידה הזו היא הנכונה."

המשמעות של חור התולעת

ג'אפריס, שמעולם לא ציפה להיות חלק מניסוי חור תולעת (או כל ניסוי אחר), חושב שאחת הנקודות החשובות ביותר היא מה שהניסוי אומר על מכניקת הקוונטים. תופעות קוונטיות כמו הסתבכות הן בדרך כלל אטומות ומופשטות; איננו יודעים, למשל, כיצד מדידה של חלקיק A קובעת את מצבו של B מרחוק. אבל בניסוי החדש, לתופעה קוונטית בלתי ניתנת לתיאור - טלפורטציה של מידע בין חלקיקים - יש פרשנות מוחשית כחלקיק המקבל בעיטה של ​​אנרגיה ונע במהירות ניתנת לחישוב מ-A ל-B. "נראה שיש את הסיפור היפה הזה מהנקודה הזו. נוף הקיוביט; זה זז באופן סיבתי," אמר ג'אפריס. אולי תהליך קוונטי כמו טלפורטציה "מרגיש תמיד כבידה לקיוביט הזה. אם משהו כזה יכול לצאת מהניסוי הזה ומניסויים קשורים אחרים, זה בהחלט יגיד לנו משהו עמוק על היקום שלנו."

סוסקינד, שקיבל מבט מוקדם על התוצאות של היום, אמר שהוא מקווה שניתן להשתמש בניסויים עתידיים של חור תולעת הכוללים קיוביטים רבים יותר כדי לחקור את פנים חור התולעת כדרך לחקור את התכונות הקוונטיות של כוח הכבידה. "על ידי ביצוע מדידות על מה שעבר, אתה חוקר את זה ורואה מה יש בפנים", אמר. "זו נראית לי כמו דרך מעניינת ללכת."

כמה פיזיקאים יאמרו שהניסוי לא אומר לנו דבר על היקום שלנו, מכיוון שהוא מממש דואליות בין מכניקת הקוונטים לחלל אנטי-דה סיטר, מה שהיקום שלנו אינו.

ב-25 השנים שחלפו מאז גילוי התכתבות AdS/CFT של Maldacena, פיסיקאים חיפשו דואליות הולוגרפית דומה עבור מרחב דה סיטר - מפה העוברת ממערכת קוונטית ליקום דה סיטר המתרחב בצורה חיובית. אבל יש התקדמות. הרבה יותר איטי בהשוואה ל-AdS, מה שגורם לחלק להטיל ספק אם המרחב של דה סיטר הוא הולוגרפי בכלל. "שאלות כמו 'מה עם לגרום לזה לעבוד במקרה הפיזי יותר של dS?' אינם חדשים אלא ותיקים מאוד והיו נושאים לעשרות אלפי שנות אדם של מאמץ לא מוצלח", אמר וייט, מבקר מחקר AdS/CFT. "מה שצריך זה כמה רעיונות שונים לגמרי."

המבקרים טוענים ששני סוגי המרחב נבדלים באופן קטגורי: ל-AdS יש גבול חיצוני ולמרחב dS אין, כך שאין מעבר מתמטי חלק שיכול להפוך אחד לשני. והגבול הקשה של מרחב AdS הוא בדיוק הדבר שמקל על ההולוגרפיה באותה סביבה, ומספק את המשטח הקוונטי שממנו ניתן להקרין את החלל. לשם השוואה, ביקום דה סיטר שלנו, הגבולות היחידים הם הרחוקים ביותר שאנו יכולים לראות והעתיד האינסופי. אלו הם משטחים מעורפלים שמהם ניתן לנסות להקרין הולוגרמת מרחב-זמן.

רנאט לול, תאורטיקן כבידה קוונטית ידוע באוניברסיטת רדבוד בהולנד, הדגיש גם כי ניסוי חור התולעת נוגע למרחב-זמן דו-ממדי - חור התולעת הוא חוט נימה, עם ממד מרחבי אחד בתוספת ממד הזמן - בעוד שהכבידה מסובכת יותר במרחב הדו-ממדי- זמן שאנו חיים בו בפועל. "די מפתה להסתבך בנבכי דגמי הצעצועים הדו-ממדיים", אמרה בדוא"ל, "תוך כדי איבוד מראה האתגרים השונים והגדולים יותר שמחכים לנו בכבידה הקוונטית התלת-ממדית. עבור התיאוריה הזו, אני לא יכול לראות איך מחשבים קוונטיים עם היכולות הנוכחיות שלהם יכולים לעזור הרבה... אבל אני בשמחה אעמוד לתיקון."

רוב חוקרי הכבידה הקוונטית מאמינים שכל אלו הן בעיות קשות אך ניתנות לפתרון - שדפוס ההסתבכות השוזר חלל 4D de Sitter הוא מסובך יותר מאשר עבור 2D AdS, אך בכל זאת נוכל להפיק לקחים כלליים על ידי לימוד הולוגרפיה במסגרות פשוטות יותר. מחנה זה נוטה לראות בשני סוגי החלל, dS ו-AdS, יותר דומים מאשר שונים. שניהם פתרונות לתורת היחסות של איינשטיין, הנבדלים רק בסימן מינוס. גם יקום dS וגם יקום AdS מכיל חורים שחורים שנפגעו באותם פרדוקסים. וכשאתה עמוק בחלל AdS, רחוק מהקיר החיצוני שלו, אתה בקושי יכול להבחין בין הסביבה שלך לבין דה סיטר.

ובכל זאת, סוסקינד מסכים שהגיע הזמן להיות אמיתי. "אני חושב שהגיע הזמן שנצא מתחת לשכבת ההגנה של מרחב ה-AdS ונפתח לעולם שאולי קשור יותר לקוסמולוגיה", אמר. "חלל דה סיטר הוא עוד חיה."

לשם כך, לססקינד יש רעיון חדש. ב הדפס מקדים פורסם באינטרנט בספטמבר, הוא הציע שחלל דה סיטר עשוי להיות הולוגרמה של גרסה אחרת של מודל SYK - לא זו עם אינטראקציות חלקיקים ארבע כיווניות, אלא כזו שבה מספר החלקיקים המעורבים בכל אינטראקציה גדל ככל שהריבוע שורש המספר הכולל של החלקיקים. "המגבלה בקנה מידה כפול" של מודל SYK "מתנהג יותר כמו דה סיטר מאשר AdS", אמר. "יש רחוק מלהיות הוכחה, אבל יש ראיות נסיבתיות."

מערכת קוונטית כזו מורכבת יותר מזו שתוכנתה עד כה, ו"אם הגבול הזה הוא משהו שיתממש במעבדה אני לא יודע", אמר סוסקינד. מה שנראה בטוח הוא שעכשיו, כשיש חור תולעת הולוגרפי אחד, עוד ייפתחו.