Физики создали червоточину с помощью квантового компьютера

Физики предположительно создали первую в мире червоточину, своего рода туннель, который в 1935 году теоретизировали Альберт Эйнштейн и Натан Розен и который ведет из одного места в другое, проходя в дополнительное измерение пространства.

Червоточина возникла как голограмма из квантовых битов информации, или «кубитов», хранящихся в крошечных сверхпроводящих цепях. Манипулируя кубитами, физики отправили информацию через червоточину. сообщили сегодня В журнале природа.

Команда под руководством Мария Спиропулу из Калифорнийского технологического института реализовал новый «протокол телепортации через червоточину» с использованием квантового компьютера Google, устройства под названием Sycamore, размещенного в Google Quantum AI в Санта-Барбаре, Калифорния. С помощью этого первого в своем роде «эксперимента квантовой гравитации на чипе», как описал его Спиропулу, она и ее команда победили конкурирующую группу физиков. которые стремятся сделать телепортацию через червоточину с квантовыми компьютерами IBM и Quantinuum.

Когда Спиропулу увидела ключевую подпись, указывающую на то, что кубиты проходят через червоточину, она сказала: «Я была потрясена».

Эксперимент можно рассматривать как доказательство голографического принципа, обширную гипотезу о том, как два столпа фундаментальной физики, квантовая механика и общая теория относительности, сочетаются друг с другом. С 1930-х годов физики стремились примирить эти разрозненные теории — одна свод правил для атомов и субатомных частиц, другая — описание Эйнштейном того, как материя и энергия искажают ткань пространства-времени, порождая гравитацию. Голографический принцип, преобладающий с 1990-х годов, постулирует математическую эквивалентность или «двойственность» между двумя структурами. В нем говорится, что искривленный пространственно-временной континуум, описываемый общей теорией относительности, на самом деле представляет собой замаскированную квантовую систему частиц. Пространство-время и гравитация возникают из квантовых эффектов подобно тому, как трехмерная голограмма проецируется из двумерного узора.

Действительно, новый эксперимент подтверждает, что квантовые эффекты того типа, которым мы можем управлять в квантовом компьютере, могут привести к явлению, которое мы ожидаем увидеть в теории относительности, — червоточине. Развивающаяся система кубитов в чипе Sycamore «имеет действительно классное альтернативное описание», — сказал он. Джон Прекилл, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института, не участвовавший в эксперименте. «Вы можете думать о системе на совсем другом языке как о гравитационной».

Чтобы было ясно, в отличие от обычной голограммы, червоточину нельзя увидеть. Хотя его можно считать «нитью реального пространства-времени», по словам соавтора Дэниел Джафферис из Гарвардского университета, ведущего разработчика протокола телепортации через червоточину, это не часть той реальности, в которой живем мы и компьютер Sycamore. Голографический принцип гласит, что две реальности — одна с червоточиной и другая с кубитами — являются альтернативными версиями одной и той же физики, но то, как концептуализировать такую ​​двойственность, остается загадкой.

Мнения будут расходиться по поводу фундаментальных последствий результата. Важно отметить, что голографическая червоточина в эксперименте состоит из пространства-времени, отличного от пространства-времени нашей собственной вселенной. Спорный вопрос, подтверждает ли эксперимент гипотезу о том, что пространство-время, в котором мы живем, также является голографическим, структурированным квантовыми битами.

«Я думаю, что это правда, что гравитация в нашей Вселенной возникает из некоторых квантовых [битов] так же, как эта маленькая одномерная червоточина возникает из чипа Sycamore», — сказал Джафферис. «Конечно, мы не знаем этого наверняка. Мы пытаемся это понять».

В червоточину

История голографической червоточины восходит к двум, казалось бы, не связанным между собой статьям, опубликованным в 1935 году: one Эйнштейна и Розена, известного как ER, другие ими двумя и Борисом Подольским, известным как ЭПР. И статьи ER, и EPR изначально считались маргинальными работами великого Э. Теперь все изменилось.

В статье ER Эйнштейн и его молодой помощник Розен наткнулись на возможность существования червоточин, пытаясь расширить общую теорию относительности до единой теории всего — описания не только пространства-времени, но и подвешенных в нем субатомных частиц. Они нацелились на препятствия в структуре пространства-времени, которые немецкий физик-военный Карл Шварцшильд обнаружил среди складок общей теории относительности в 1916 году, всего через несколько месяцев после того, как Эйнштейн опубликовал свою теорию. Шварцшильд показал, что масса может гравитационно притягиваться настолько сильно, что бесконечно концентрируется в точке, искривляя пространство-время там настолько резко, что переменные становятся бесконечными и уравнения Эйнштейна не работают. Теперь мы знаем, что эти «сингулярности» существуют по всей Вселенной. Это точки, которые мы не можем ни описать, ни увидеть, каждая из которых спрятана в центре черной дыры, гравитационно улавливающей весь близлежащий свет. Сингулярности — это то, где квантовая теория гравитации больше всего нужна.

Эйнштейн и Розен предположили, что математика Шварцшильда может быть способом включить элементарные частицы в общую теорию относительности. Чтобы картина работала, они вырезали сингулярность из его уравнений, заменив их новыми переменными, которые заменили острие на межпространственную трубку, скользящую в другую часть пространства-времени. Эйнштейн и Розен ошибочно, но прозорливо утверждали, что эти «мосты» (или червоточины) могут представлять собой частицы.

По иронии судьбы, стремясь связать червоточины и частицы, дуэт не принял во внимание феномен странных частиц, который они идентифицировали двумя месяцами ранее вместе с Подольским в статье ЭПР: квантовую запутанность.

Запутанность возникает при взаимодействии двух частиц. Согласно квантовым правилам, частицы могут иметь несколько возможных состояний одновременно. Это означает, что взаимодействие между частицами имеет несколько возможных результатов, в зависимости от того, в каком состоянии находится каждая частица. Однако их результирующие состояния всегда будут связаны — то, как окажется частица А, зависит от того, какой получится частица Б. После такого взаимодействия у частиц появляется общая формула, определяющая различные комбинированные состояния, в которых они могут находиться.

Шокирующим последствием, которое заставило авторов ЭПР усомниться в квантовой теории, является «призрачное действие на расстоянии», как выразился Эйнштейн: измерение частицы А (которая выбирает одну реальность из ее возможностей) мгновенно определяет соответствующее состояние В, независимо от того, как далеко B.

Значение запутанности резко возросло с тех пор, как в 1990-х годах физики обнаружили, что она позволяет проводить новые виды вычислений. Запутывание двух кубитов — квантовых объектов, таких как частицы, которые существуют в двух возможных состояниях, 0 и 1, — дает четыре возможных состояния с разной вероятностью (0 и 0, 0 и 1, 1 и 0, 1 и 1). Три кубита дают восемь одновременных возможностей и так далее; мощность «квантового компьютера» растет экспоненциально с каждым дополнительным запутанным кубитом. Умело организуйте запутывание, и вы сможете отменить все комбинации нулей и единиц, кроме последовательности, которая дает ответ на вычисление. Прототипы квантовых компьютеров, состоящие из нескольких десятков кубитов, появились за последние пару лет во главе с 0-кубитной машиной Google Sycamore.

Между тем, исследователи квантовой гравитации зациклились на квантовой запутанности по другой причине: как на возможном исходном коде пространственно-временной голограммы.

ЭПР = ЭПР

Разговоры о эмерджентном пространстве-времени и голографии начались в конце 1980-х годов, после того как теоретик черных дыр Джон Уилер провозгласил точку зрения, что пространство-время и все, что в нем, может возникать из информации. Вскоре другие исследователи, в том числе голландский физик Герард т Хофт, задались вопросом, может ли это появление напоминать проекцию голограммы. Примеры возникли в исследованиях черных дыр и в теории струн, когда одно описание физического сценария могло быть переведено в столь же достоверное представление о нем с одним дополнительным пространственным измерением. В статье 1994 года под названием «Мир как голограмма" Леонард Сусскинд, теоретик квантовой гравитации из Стэнфордского университета, конкретизировал голографический принцип 'т Хофта, утверждая, что объем искривленного пространства-времени, описываемый общей теорией относительности, эквивалентен или «дуален» системе квантовых частиц в области более низких измерений. граница.

Три года спустя появился знаменательный пример голографии. Хуан Мальдасена, теоретик квантовой гравитации, в настоящее время работает в Институте перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, открытый что своего рода пространство, называемое пространством анти-де Ситтера (AdS), на самом деле является голограммой.

Реальная вселенная — это пространство де Ситтера, постоянно растущая сфера, движимая наружу собственной положительной энергией. Напротив, пространство AdS наполнено отрицательной энергией — в результате разницы в знаке одной константы в уравнениях общей теории относительности — что придает пространству «гиперболическую» геометрию: объекты сжимаются по мере их удаления от центра пространства, становится бесконечно малой на внешней границе. Малдасена показал, что пространство-время и гравитация внутри AdS-вселенной точно соответствуют свойствам квантовой системы на границе (в частности, системы, называемой конформной теорией поля, или CFT).

Ошеломляющая статья Малдасены 1997 года, описывающая это «соответствие AdS/CFT», цитировалась в последующих исследованиях 22,000 XNUMX раз — в среднем более двух раз в день. «Попытка использовать идеи, основанные на AdS/CFT, была главной целью тысяч лучших теоретиков на протяжении десятилетий», — сказал он. Питер Войт, математический физик Колумбийского университета.

Когда сам Малдасена исследовал свою карту AdS/CFT между динамическим пространством-временем и квантовыми системами, он сделал новое открытие о червоточинах. Он изучал особый паттерн запутанности, включающий два набора частиц, где каждая частица из одного набора запутывается с частицей из другого. Малдасена показал что это состояние математически двойственно довольно драматичной голограмме: паре черных дыр в пространстве AdS, внутренности которых соединяются червоточиной.

Потребовалось десятилетие, прежде чем Малдасена в 2013 году (при обстоятельствах, которые, «честно говоря, я не помню», — говорит он) понял, что его открытие может означать более общее соответствие между квантовой запутанностью и связью через червоточину. Он придумал маленькое загадочное уравнение — ER = EPR — в электронном письме Сасскинду, который сразу все понял. Двое быстро разработал гипотезу вместе, написав: «Мы утверждаем, что мост Эйнштейна-Розена между двумя черными дырами создается ЭПР-подобными корреляциями между микросостояниями двух черных дыр», и что двойственность может быть более общей: «Очень заманчиво считаю, что любой ЭПР-коррелированная система связана каким-то ER-мостом».

Возможно, червоточина связывает каждую запутанную пару частиц во вселенной, создавая пространственную связь, которая записывает их общую историю. Возможно, догадка Эйнштейна о том, что червоточины связаны с частицами, была верной.

Прочный мост

Когда Джафферис услышал лекцию Малдасены об ER = EPR на конференции в 2013 году, он понял, что предполагаемая двойственность должна позволить вам создавать собственные червоточины, адаптируя шаблон запутывания.

Стандартные мосты Эйнштейна-Розена разочаровывают поклонников научной фантастики во всем мире: если бы такой мост образовался, он бы быстро разрушился под действием собственной гравитации и оторвался бы задолго до того, как космический корабль или что-то еще смогло бы пройти по нему. Но Джафферис представил себе проволоку или любую другую физическую связь между двумя наборами запутанных частиц, которые кодируют два входа червоточины. При таком соединении воздействие на частицы с одной стороны вызывало бы изменения в частицах с другой стороны, возможно, открывая червоточину между ними. «Может быть, это делает червоточину проходимой?» Джеффрис вспоминает, как удивлялся. Будучи очарованным червоточинами с детства — вундеркинд-физик, он поступил в Йельский университет в 14 лет — Джафферис занялся этим вопросом «почти для развлечения».

Вернувшись в Гарвард, он и Пинг Гао, его аспирант в то время, и Арон Уолл, а затем приглашенный исследователь, в конце концов подсчитал, что действительно, соединив два набора запутанных частиц, вы можете выполнить операцию над левым набором, которая в дуальной многомерной пространственно-временной картине удерживает открытой червоточину, ведущую в правый рот и проталкивает кубит.

Джафферис, Гао и Уоллс 2016 discovery этой голографической проходимой червоточины открыла исследователям новое окно в механику голографии. «Тот факт, что если вы делаете правильные вещи снаружи, вы можете в конечном итоге пройти, это также означает, что вы можете заглянуть внутрь» червоточины, — сказал Джафферис. «Это означает, что можно исследовать тот факт, что две запутанные системы описываются некоторой связанной геометрией».

В течение нескольких месяцев Малдасена и двое его коллег построили схему, показав, что проходимую червоточину можно реализовать в простой обстановке — «квантовая система достаточно проста, чтобы мы могли представить ее создание», — сказал Джафферис.

Модель SYK, как ее называют, представляет собой систему частиц материи, которые взаимодействуют группами, а не обычными парами. Модель, впервые описанная Субиром Сачдевом и Джину Е в 1993 году, внезапно приобрела гораздо большее значение, начиная с 2015 года, когда физик-теоретик Алексей Китаев обнаружил, что он голографический. В том же году на лекции в Санта-Барбаре, штат Калифорния, Китаев (получивший букву К в SYK) заполнил несколько досок доказательствами того, что конкретная версия модели, в которой частицы материи взаимодействуют группами по четыре человека, математически может быть отображена в одномерную черную дыра в пространстве AdS с идентичными симметриями и другими свойствами. «Некоторые ответы в обоих случаях совпадают», — сказал он восторженной аудитории. Малдасена сидел в первом ряду.

Соединяя точки, Малдасена и соавторы предложило что две модели SYK, соединенные вместе, могут кодировать два устья Джафферис, Гао и проходимую червоточину Уолла. Джафферис и Гао побежали с приближением. К 2019 году они нашли свой путь к конкретное предписание для телепортации кубита информации из одной системы частиц с четырехсторонним взаимодействием в другую. Вращение всех направлений вращения частиц преобразуется в двойной пространственно-временной картине в ударную волну с отрицательной энергией, которая проносится через червоточину, отбрасывая кубит вперед и в предсказуемое время вылетая изо рта.

«Червоточина Джафферис — это первая конкретная реализация ER = EPR, где он показывает, что соотношение верно для конкретной системы», — сказал он. Алекс Злокапа, аспирант Массачусетского технологического института и соавтор нового эксперимента.

Червоточина в лаборатории

По мере развития теоретической работы Мария Спиропулу, опытный физик-экспериментатор элементарных частиц, участвовавшая в открытии бозона Хиггса в 2012 году, размышляла о том, как использовать зарождающиеся квантовые компьютеры для проведения экспериментов по голографической квантовой гравитации. В 2018 году она убедила Джеффриса присоединиться к ее растущей команде вместе с исследователями из Google Quantum AI — хранителями устройства Sycamore.

Чтобы запустить протокол телепортации через червоточину Джафферис и Гао на ультрасовременном, но все еще маленьком и подверженном ошибкам квантовом компьютере, команде Спиропулу пришлось значительно упростить протокол. Полная модель SYK состоит из практически бесконечного множества частиц, связанных друг с другом со случайной силой, поскольку повсюду происходят четырехсторонние взаимодействия. Это невозможно рассчитать; даже использование всех 50 с лишним доступных кубитов потребовало бы сотен тысяч схемных операций. Исследователи намеревались создать голографическую червоточину всего с семью кубитами и сотнями операций. Для этого им пришлось «разредить» семичастичную модель SYK, закодировав только самые сильные четырехсторонние взаимодействия и исключив остальные, сохранив при этом голографические свойства модели. «Потребовалось несколько лет, чтобы придумать умный способ сделать это», — сказал Спиропулу.

Одним из секретов успеха был Злокапа, бродяга из оркестра, который присоединился к исследовательской группе Спиропулу, будучи студентом Калифорнийского технологического института. Одаренный программист, Злокапа сопоставил взаимодействие частиц модели SYK со связями между нейронами нейронной сети и обучил систему удалять как можно больше сетевых соединений, сохраняя ключевую сигнатуру червоточины. Процедура сократила количество четырехсторонних взаимодействий с сотен до пяти.

После этого команда начала программировать кубиты Sycamore. Семь кубитов кодируют 14 частиц материи — по семь в левой и правой системах SYK, где каждая частица слева запутана с одной частицей справа. Затем восьмой кубит в некоторой вероятностной комбинации состояний 0 и 1 заменяется одной из частиц из левой модели SYK. Возможные состояния этого кубита быстро смешиваются с состояниями других частиц слева, и информация распределяется между ними равномерно, как капля чернил в воде. Это голографически двойственно кубиту, входящему в левое устье одномерной червоточины в пространстве AdS.

Затем происходит большое вращение всех кубитов, двойственное импульсу отрицательной энергии, проходящей через червоточину. Вращение приводит к тому, что введенный кубит переходит к частицам правой модели SYK. Затем, по словам Прескилла, информация не распространяется, «подобно хаосу, бегущему назад», и перефокусируется на месте одной частицы справа — запутанного партнера левой частицы, которая была заменена. Затем измеряются все состояния кубитов. Подсчет нулей и единиц во многих экспериментальных запусках и сравнение этой статистики с подготовленным состоянием введенных кубитов показывает, телепортируются ли кубиты.

Исследователи ищут пик в данных, который представляет разницу между двумя случаями: если они видят пик, это означает, что вращение кубита, двойственное импульсам с отрицательной энергией, позволяет кубитам телепортироваться, тогда как вращение в противоположном направлении, которое двойственны импульсам нормальной, положительной энергии, не пропускайте кубиты. (Вместо этого они закрывают червоточину.)

Однажды поздно вечером в январе, после двух лет постепенных улучшений и усилий по снижению шума, Злокапа запустил готовый протокол на Sycamore удаленно из своей детской спальни в районе залива Сан-Франциско, где он проводил зимние каникулы после первого семестра в аспирантуре. .

Пик появился на экране его компьютера.

«Он становился все острее и острее», — сказал он. «Я отправлял скриншоты пика Марии и был очень взволнован, написав: «Я думаю, что теперь мы видим червоточину». Пик был «первым признаком того, что вы можете увидеть гравитацию на квантовом компьютере».

Спиропулу говорит, что с трудом могла поверить чистому ярко выраженному пику, который она видела. «Это было очень похоже на то, когда я увидела первые данные об открытии бозона Хиггса», — сказала она. «Не потому, что я этого не ожидал, но это слишком сильно ударило по моему лицу».

Удивительно, но, несмотря на простоту скелета их червоточины, исследователи обнаружили вторую сигнатуру динамики червоточины, тонкую закономерность в том, как информация распространяется и не распространяется среди кубитов, известная как «обмотка размера». Они не научили свою нейронную сеть сохранять этот сигнал, поскольку он разрежает модель SYK, поэтому тот факт, что размерная обмотка все равно проявляется, является экспериментальным открытием в области голографии.

«Мы ничего не требовали в отношении этого свойства обмотки по размеру, но мы обнаружили, что оно просто выскочило наружу», — сказал Джафферис. По его словам, это «подтвердило надежность» голографической двойственности. «Заставьте одно [свойство] проявиться, тогда вы получите все остальные, что является своего рода доказательством того, что эта гравитационная картина является правильной».

Значение червоточины

Джафферис, который никогда не ожидал, что станет частью эксперимента с червоточиной (или любого другого), считает, что одним из самых важных выводов является то, что эксперимент говорит о квантовой механике. Квантовые явления, такие как запутанность, обычно непрозрачны и абстрактны; мы не знаем, например, как измерение частицы А определяет состояние частицы В издалека. Но в новом эксперименте невыразимое квантовое явление — телепортация информации между частицами — имеет осязаемую интерпретацию как частица, получающая выброс энергии и движущаяся с расчетной скоростью из точки А в точку Б. зрения кубита; оно движется причинно, — сказал Джафферис. Возможно, такой квантовый процесс, как телепортация, «всегда кажется гравитационным для этого кубита. Если что-то подобное может получиться в результате этого эксперимента и других связанных с ним экспериментов, это определенно расскажет нам что-то глубокое о нашей Вселенной».

Сасскинд, который первым ознакомился с сегодняшними результатами, сказал, что надеется, что будущие эксперименты с червоточиной, включающие гораздо больше кубитов, можно будет использовать для изучения внутренней части червоточины как способа исследования квантовых свойств гравитации. «Выполняя измерения того, что прошло, вы допрашиваете его и видите, что было внутри», — сказал он. — Мне кажется, это интересный путь.

Некоторые физики скажут, что эксперимент ничего не говорит нам о нашей Вселенной, поскольку он реализует двойственность между квантовой механикой и анти-де Ситтеровским пространством, которой наша Вселенная не является.

За 25 лет, прошедших после открытия Малдасеной соответствия AdS/CFT, физики искали подобную голографическую двойственность для пространства де Ситтера — карту, идущую от квантовой системы к положительно заряженной расширяющейся вселенной де Ситтера, в которой мы живем. Но прогресс был достигнут. намного медленнее, чем для AdS, что заставляет некоторых сомневаться в том, что пространство де Ситтера вообще голографично. «Вопросы типа «Как насчет того, чтобы заставить это работать в более физическом случае dS?» не новы, а очень стары, и на них были потрачены десятки тысяч человеко-лет безуспешных усилий», — сказал Войт, критик исследования AdS/CFT. «Нужны совсем другие идеи».

Критики утверждают, что эти два вида пространства категорически различаются: у AdS есть внешняя граница, а у dS-пространства нет, поэтому не существует плавного математического перехода, который мог бы превратить одно в другое. Жесткая граница пространства AdS — это именно то, что делает голографию легкой в ​​этих условиях, предоставляя квантовую поверхность, с которой можно спроецировать пространство. Для сравнения, в нашей вселенной де Ситтера единственные границы — это самое дальнее, что мы можем видеть, и бесконечное будущее. Это туманные поверхности, с которых можно попытаться спроецировать пространственно-временную голограмму.

Ренате Лолл, известный теоретик квантовой гравитации из Университета Радбауд в Нидерландах, также подчеркнул, что эксперимент с червоточиной относится к двумерному пространству-времени — червоточина представляет собой нить с одним пространственным измерением плюс временное измерение — тогда как гравитация более сложна в четырехмерном пространстве. время, в котором мы на самом деле живем. «Довольно заманчиво запутаться в хитросплетениях двухмерных игрушечных моделей, — сказала она по электронной почте, — упуская из виду различные и более серьезные проблемы, которые ждут нас в четырехмерной квантовой гравитации. Для этой теории я не вижу, как квантовые компьютеры с их нынешними возможностями могут сильно помочь… но я с радостью приму поправку».

Большинство исследователей квантовой гравитации считают, что все это трудные, но решаемые проблемы — что паттерн запутанности, сплетающий 4D-пространство де Ситтера, сложнее, чем для 2D AdS, но тем не менее мы можем извлечь общие уроки, изучая голографию в более простых условиях. Этот лагерь склонен рассматривать два типа пространства, dS и AdS, как скорее похожие, чем разные. Оба являются решениями теории относительности Эйнштейна, отличающимися только знаком минус. Обе вселенные dS и AdS содержат черные дыры, пораженные одними и теми же парадоксами. А когда вы находитесь глубоко в пространстве AdS, вдали от его внешней стены, вы с трудом можете отличить свое окружение от де Ситтера.

Тем не менее, Сасскинд соглашается с тем, что пришло время действовать по-настоящему. «Я думаю, что пришло время выбраться из-под защитного слоя пространства AdS и открыться миру, который может иметь больше общего с космологией», — сказал он. «Пространство де Ситтера — еще один зверь».

С этой целью у Сасскинда есть новая идея. В препринт размещенный в Интернете в сентябре, он предположил, что пространство де Ситтера может быть голограммой другой версии модели SYK — не той, в которой взаимодействуют четыре частицы, а той, в которой число частиц, участвующих в каждом взаимодействии, растет по мере увеличения квадрата корень из общего числа частиц. Этот «двойной предел» модели SYK «ведет себя больше как де Ситтер, чем как AdS», сказал он. — Доказательств далеко, но есть косвенные улики.

Такая квантовая система более сложна, чем запрограммированная до сих пор, и «является ли этот предел чем-то, что будет реализовано в лаборатории, я не знаю», — сказал Сасскинд. Что кажется несомненным, так это то, что теперь, когда есть одна голографическая червоточина, откроются другие.