นักฟิสิกส์สร้างรูหนอนโดยใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัม

นักฟิสิกส์อ้างว่าสร้างรูหนอนขึ้นเป็นครั้งแรก ซึ่งเป็นอุโมงค์ชนิดหนึ่งที่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ และนาธาน โรเซ็นตั้งทฤษฎีขึ้นในปี 1935 เพื่อนำจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งโดยผ่านเข้าไปในมิติพิเศษของอวกาศ

รูหนอนโผล่ออกมาเหมือนโฮโลแกรมจากข้อมูลควอนตัมบิต หรือที่เรียกว่า “คิวบิต” ที่เก็บไว้ในวงจรตัวนำยิ่งยวดขนาดเล็ก นักฟิสิกส์จึงส่งข้อมูลผ่านรูหนอนด้วยการจัดการคิวบิต รายงานวันนี้ ในวารสาร ธรรมชาติ.

นำทีมโดย มาเรีย สปิโรปูลู แห่งสถาบันเทคโนโลยีแห่งแคลิฟอร์เนีย ได้นำ "โปรโตคอลการเคลื่อนย้ายด้วยรูหนอน" มาใช้โดยใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมของ Google ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่เรียกว่า Sycamore ซึ่งติดตั้งอยู่ที่ Google Quantum AI ในซานตาบาร์บารา รัฐแคลิฟอร์เนีย ด้วย "การทดลองแรงโน้มถ่วงควอนตัมบนชิป" ครั้งแรกในรูปแบบนี้ ตามที่ Spiropulu อธิบายไว้ เธอและทีมของเธอเอาชนะกลุ่มนักฟิสิกส์ที่แข่งขันกัน ผู้ซึ่งมีเป้าหมายที่จะทำการย้ายผ่านรูหนอน ด้วยคอมพิวเตอร์ควอนตัมของ IBM และ Quantinuum

เมื่อสไปโรปูลูเห็นลายเซ็นของกุญแจซึ่งระบุว่าคิวบิตกำลังผ่านรูหนอน เธอกล่าวว่า “ฉันรู้สึกหวั่นไหว”

การทดลองนี้ถือเป็นหลักฐานของหลักการโฮโลกราฟิก ซึ่งเป็นสมมติฐานที่ครอบคลุมเกี่ยวกับหลักการของฟิสิกส์พื้นฐาน กลศาสตร์ควอนตัม และทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป นักฟิสิกส์พยายามตั้งแต่ทศวรรษที่ 1930 เพื่อปรับทฤษฎีที่ไม่ปะติดปะต่อเหล่านี้ให้ตรงกัน หนึ่ง กฎสำหรับอะตอมและอนุภาคย่อยของอะตอม ส่วนอีกอันคือคำอธิบายของไอน์สไตน์ว่าสสารและพลังงานบิดเบี้ยวโครงสร้างกาลอวกาศและสร้างแรงโน้มถ่วงได้อย่างไร หลักการโฮโลกราฟิกซึ่งถือกำเนิดขึ้นตั้งแต่ทศวรรษที่ 1990 ได้วางตำแหน่งความสมมูลทางคณิตศาสตร์หรือ "ความเป็นคู่" ระหว่างกรอบทั้งสอง มันบอกว่าความต่อเนื่องของกาลอวกาศที่บิดเบี้ยวซึ่งอธิบายโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปนั้นเป็นระบบควอนตัมของอนุภาคที่แฝงตัวอยู่ กาลอวกาศและแรงโน้มถ่วงเกิดขึ้นจากเอฟเฟกต์ควอนตัมมากพอๆ กับโฮโลแกรม 3 มิติที่ฉายออกมาเป็นรูปแบบ 2 มิติ

การทดลองครั้งใหม่นี้ยืนยันว่าผลควอนตัม ซึ่งเป็นประเภทที่เราควบคุมได้ในคอมพิวเตอร์ควอนตัม สามารถก่อให้เกิดปรากฏการณ์ที่เราคาดว่าจะเห็นในทฤษฎีสัมพัทธภาพ ซึ่งก็คือรูหนอน ระบบการพัฒนาของ qubits ในชิป Sycamore “มีคำอธิบายทางเลือกที่ยอดเยี่ยมจริงๆ” กล่าว จอห์น เพรสคิลนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีที่คาลเทคซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการทดลองนี้ "คุณสามารถนึกถึงระบบในภาษาอื่น ๆ ว่าเป็นแรงโน้มถ่วง"

เพื่อให้ชัดเจน ไม่เหมือนกับโฮโลแกรมทั่วไป รูหนอนไม่ใช่สิ่งที่เรามองเห็นได้ แม้ว่าจะถือได้ว่าเป็น "เส้นใยของกาลอวกาศที่แท้จริง" ตามที่ผู้เขียนร่วมกล่าว แดเนียล แจฟเฟอริส จากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด หัวหน้าผู้พัฒนาโปรโตคอลการเคลื่อนย้ายด้วยรูหนอน มันไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของความเป็นจริงเดียวกันกับที่เราและคอมพิวเตอร์ Sycamore อาศัยอยู่ หลักการโฮโลแกรมกล่าวว่าความเป็นจริงสองอย่าง อันหนึ่งมีรูหนอนและอีกอันหนึ่งมีคิวบิต เป็นรูปแบบทางเลือกของฟิสิกส์เดียวกัน แต่วิธีคิดแนวคิดของความเป็นสองอย่างนี้ยังคงเป็นเรื่องลึกลับ

ความคิดเห็นจะแตกต่างกันเกี่ยวกับความหมายพื้นฐานของผลลัพธ์ ที่สำคัญ รูหนอนโฮโลกราฟิกในการทดลองประกอบด้วยกาล-อวกาศประเภทที่แตกต่างจากกาล-อวกาศของเอกภพของเรา เป็นที่ถกเถียงกันว่าการทดลองนี้ส่งเสริมสมมติฐานที่ว่ากาล-อวกาศที่เราอาศัยอยู่นั้นเป็นแบบโฮโลกราฟิกด้วยหรือไม่ ซึ่งมีรูปแบบเป็นควอนตัมบิต

“ฉันคิดว่ามันเป็นความจริงที่แรงโน้มถ่วงในจักรวาลของเราเกิดขึ้นจากควอนตัม [บิต] ในลักษณะเดียวกับที่รูหนอนมิติเดียวทารกตัวน้อยนี้เกิดขึ้น” จากชิป Sycamore Jafferis กล่าว “แน่นอนว่าเราไม่รู้แน่ชัด เรากำลังพยายามที่จะเข้าใจมัน”

เข้าไปในรูหนอน

เรื่องราวของรูหนอนโฮโลแกรมย้อนกลับไปในเอกสารสองฉบับที่ดูเหมือนไม่เกี่ยวข้องซึ่งตีพิมพ์ในปี 1935: หนึ่ง โดย Einstein และ Rosen หรือที่รู้จักกันในชื่อ ER อื่น ๆ โดยพวกเขาสองคนและ Boris Podolsky หรือที่รู้จักกันในชื่อ EPR ทั้งเอกสาร ER และ EPR ถูกตัดสินในเบื้องต้นว่าเป็นผลงานส่วนเพิ่มของ E ผู้ยิ่งใหญ่ที่มีการเปลี่ยนแปลง

ในรายงาน ER ไอน์สไตน์และผู้ช่วยหนุ่มของเขา โรเซน สะดุดกับความเป็นไปได้ของรูหนอนในขณะที่พยายามขยายทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปไปสู่ทฤษฎีเอกภาพของทุกสิ่ง ซึ่งไม่ใช่เพียงคำอธิบายเกี่ยวกับกาลอวกาศเท่านั้น แต่ยังรวมถึงอนุภาคของอะตอมที่แขวนอยู่ในนั้นด้วย พวกเขาอาศัยอุปสรรคในโครงสร้างกาลอวกาศที่ Karl Schwarzschild นักฟิสิกส์และทหารชาวเยอรมันได้พบในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในปี 1916 เพียงไม่กี่เดือนหลังจากที่ Einstein เผยแพร่ทฤษฎี Schwarzschild แสดงให้เห็นว่ามวลสามารถดึงดูดตัวเองได้มากจนกลายเป็นความเข้มข้นไม่มีที่สิ้นสุดที่จุดหนึ่ง ทำให้กาลอวกาศโค้งงออย่างรวดเร็วจนตัวแปรเปลี่ยนเป็นอนันต์และสมการของไอน์สไตน์ทำงานผิดปกติ ตอนนี้เรารู้แล้วว่า "ภาวะเอกฐาน" เหล่านี้มีอยู่ทั่วจักรวาล จุดเหล่านี้เป็นจุดที่เราไม่สามารถอธิบายหรือมองเห็นได้ แต่ละจุดซ่อนอยู่ที่ศูนย์กลางของหลุมดำที่ดักจับแสงทั้งหมดที่อยู่ใกล้เคียงด้วยแรงโน้มถ่วง Singularities เป็นสิ่งที่จำเป็นที่สุดสำหรับทฤษฎีควอนตัมของแรงโน้มถ่วง

Einstein และ Rosen สันนิษฐานว่าคณิตศาสตร์ของ Schwarzschild อาจเป็นวิธีการเสียบอนุภาคมูลฐานเข้ากับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ในการทำให้ภาพออกมาใช้ได้ พวกเขาตัดเอกพจน์ออกจากสมการของเขา โดยเปลี่ยนตัวแปรใหม่ที่แทนที่จุดหักเหด้วยท่อมิติพิเศษที่เลื่อนไปยังอีกส่วนหนึ่งของกาลอวกาศ Einstein และ Rosen โต้เถียงกันอย่างผิดๆ แต่ถูกต้องตามหลักวิชาการว่า "สะพาน" (หรือรูหนอน) เหล่านี้อาจเป็นตัวแทนของอนุภาค

แดกดัน ในการพยายามเชื่อมโยงรูหนอนและอนุภาค ทั้งคู่ไม่ได้พิจารณาปรากฏการณ์อนุภาคประหลาดที่พวกเขาระบุเมื่อสองเดือนก่อนกับ Podolsky ในเอกสาร EPR: quantum entanglement

สิ่งกีดขวางเกิดขึ้นเมื่ออนุภาคสองอนุภาคมีปฏิสัมพันธ์กัน ตามกฎของควอนตัม อนุภาคสามารถมีหลายสถานะที่เป็นไปได้พร้อมกัน ซึ่งหมายความว่าปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคมีผลลัพธ์ที่เป็นไปได้หลายอย่าง ขึ้นอยู่กับว่าแต่ละอนุภาคอยู่ในสถานะใดในการเริ่มต้น แม้ว่าสถานะผลลัพธ์ของพวกมันจะเชื่อมโยงกันเสมอ — การที่อนุภาค A จะจบลงอย่างไรนั้นขึ้นอยู่กับว่าอนุภาค B จะออกมาเป็นอย่างไร หลังจากการโต้ตอบดังกล่าว อนุภาคจะมีสูตรที่ใช้ร่วมกันซึ่งระบุสถานะการรวมกันต่างๆ ที่พวกมันอาจอยู่

ผลลัพธ์ที่น่าตกใจซึ่งทำให้ผู้เขียน EPR สงสัยทฤษฎีควอนตัมคือ "การกระทำที่น่ากลัวในระยะไกล" ดังที่ไอน์สไตน์กล่าวไว้: การวัดอนุภาค A (ซึ่งเลือกความจริงอย่างหนึ่งจากความเป็นไปได้) จะตัดสินสถานะที่สอดคล้องกันของ B ในทันที ไม่ว่าบีจะอยู่ไกลแค่ไหน

สิ่งกีดขวางมีความสำคัญมากขึ้นนับตั้งแต่นักฟิสิกส์ค้นพบในปี 1990 ว่าสิ่งนี้ทำให้เกิดการคำนวณรูปแบบใหม่ การพันกันสองคิวบิต — วัตถุควอนตัมเช่นอนุภาคที่มีอยู่ในสองสถานะที่เป็นไปได้ 0 และ 1 — ทำให้เกิดสถานะที่เป็นไปได้สี่สถานะที่มีความน่าจะเป็นต่างกัน (0 และ 0, 0 และ 1, 1 และ 0 และ 1 และ 1) ควอบิตสามตัวทำให้เกิดความเป็นไปได้แปดอย่างพร้อมกัน และอื่น ๆ พลังของ "คอมพิวเตอร์ควอนตัม" เพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณด้วยแต่ละ qubit ที่พันกันมากขึ้น จัดการสิ่งพัวพันอย่างชาญฉลาด และคุณสามารถยกเลิกชุดค่าผสมของ 0 และ 1 ทั้งหมดได้ ยกเว้นลำดับที่ให้คำตอบสำหรับการคำนวณ คอมพิวเตอร์ควอนตัมต้นแบบที่ทำจากควอบิตสองสามโหลได้ปรากฏขึ้นในช่วงสองสามปีที่ผ่านมา นำโดยเครื่อง Sycamore ขนาด 54 คิวบิตของ Google

ในขณะเดียวกัน นักวิจัยแรงโน้มถ่วงควอนตัมได้จับจ้องไปที่ความพัวพันของควอนตัมด้วยเหตุผลอื่น: เนื่องจากเป็นซอร์สโค้ดที่เป็นไปได้ของโฮโลแกรมอวกาศ-เวลา

ER = อีพีอาร์

การพูดถึงกาลอวกาศและฮอโลกราฟีที่เกิดขึ้นใหม่เริ่มขึ้นในช่วงปลายทศวรรษ 1980 หลังจากที่จอห์น วีลเลอร์ นักทฤษฎีหลุมดำประกาศใช้มุมมองที่ว่ากาลอวกาศและทุกสิ่งในนั้นอาจมาจากข้อมูล ในไม่ช้า นักวิจัยคนอื่นๆ รวมทั้งเจอราร์ด โฮฟต์ นักฟิสิกส์ชาวดัตช์ ก็สงสัยว่า การเกิดขึ้นนี้อาจคล้ายกับการฉายภาพของโฮโลแกรมหรือไม่ ตัวอย่างถูกครอบตัดในการศึกษาหลุมดำและในทฤษฎีสตริง โดยที่คำอธิบายหนึ่งข้อของสถานการณ์ทางกายภาพสามารถแปลเป็นมุมมองที่ถูกต้องเท่าเทียมกันด้วยมิติเชิงพื้นที่เพิ่มเติมหนึ่งมิติ ในบทความปี 1994 เรื่อง “โลกเป็นโฮโลแกรม" ลีโอนาร์ด ซัสสกินด์นักทฤษฎีควอนตัมแรงโน้มถ่วงแห่งมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดได้สรุปหลักการโฮโลแกรมของ Hooft โดยโต้แย้งว่าปริมาตรของกาลอวกาศที่โค้งงอซึ่งอธิบายโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปนั้นเทียบเท่าหรือ "คู่" กับระบบของอนุภาคควอนตัมในมิติที่ต่ำกว่าของภูมิภาค เขตแดน.

ตัวอย่างภาพโฮโลแกรมที่สำคัญยิ่งมาถึงในอีกสามปีต่อมา ฮวนมัลดาเซนาปัจจุบันเป็นนักทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัมที่สถาบันเพื่อการศึกษาขั้นสูงในพรินซ์ตัน รัฐนิวเจอร์ซีย์ ค้นพบ พื้นที่ชนิดหนึ่งที่เรียกว่าพื้นที่ anti-de Sitter (AdS) แท้จริงแล้วคือโฮโลแกรม

จักรวาลที่แท้จริงคือเดอซิตเตอร์สเปซ ซึ่งเป็นทรงกลมที่เติบโตขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งถูกขับเคลื่อนออกไปภายนอกด้วยพลังงานด้านบวกของมันเอง ในทางตรงกันข้าม พื้นที่ AdS เต็มไปด้วยพลังงานเชิงลบ ซึ่งเป็นผลมาจากความแตกต่างของเครื่องหมายของค่าคงที่ค่าคงที่หนึ่งในสมการของสัมพัทธภาพทั่วไป ทำให้พื้นที่ดังกล่าวมีรูปทรงเรขาคณิต กลายเป็นสิ่งเล็กน้อยที่ขอบเขตภายนอก Maldacena แสดงให้เห็นว่ากาลอวกาศและแรงโน้มถ่วงภายในจักรวาล AdS นั้นสอดคล้องกับคุณสมบัติของระบบควอนตัมบนขอบเขตทุกประการ (โดยเฉพาะระบบที่เรียกว่าทฤษฎีสนามที่สอดคล้องกันหรือ CFT)

งานวิจัยปี 1997 ของ Maldacena ที่อธิบายถึง "การโต้ตอบกับ AdS/CFT" นี้ได้รับการอ้างถึงจากการศึกษาที่ตามมา 22,000 ครั้ง - มากกว่าสองครั้งต่อวันโดยเฉลี่ย “การพยายามหาประโยชน์จากแนวคิดจาก AdS/CFT เป็นเป้าหมายหลักของนักทฤษฎีที่ดีที่สุดหลายพันคนมานานหลายทศวรรษ” กล่าว ปีเตอร์ วอตนักฟิสิกส์คณิตศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย

ขณะที่ Maldacena สำรวจแผนที่ AdS/CFT ระหว่างกาลอวกาศและระบบควอนตัมแบบไดนามิก เขาก็ได้ค้นพบสิ่งใหม่เกี่ยวกับรูหนอน เขากำลังศึกษารูปแบบการพัวพันเฉพาะที่เกี่ยวข้องกับอนุภาคสองชุด โดยที่แต่ละอนุภาคในชุดหนึ่งจะพัวพันกับอนุภาคอีกชุดหนึ่ง มัลดาเซนา แสดงให้เห็นว่า ว่าสถานะนี้เป็นคู่ทางคณิตศาสตร์กับโฮโลแกรมที่ค่อนข้างน่าทึ่ง: หลุมดำคู่หนึ่งในพื้นที่ AdS ซึ่งภายในเชื่อมต่อผ่านรูหนอน

หนึ่งทศวรรษต้องผ่านไปก่อน Maldacena ในปี 2013 (ภายใต้สถานการณ์ที่ “พูดตรงๆ ผมจำไม่ได้” เขากล่าว) ตระหนักว่าการค้นพบของเขาอาจบ่งบอกถึงความสอดคล้องกันทั่วไประหว่างการพัวพันทางควอนตัมและการเชื่อมต่อผ่านรูหนอน เขาสร้างสมการเล็กๆ น้อยๆ ที่เป็นความลับ — ER = EPR — ในอีเมลถึง Susskind ซึ่งเข้าใจทันที ทั้งสองอย่างรวดเร็ว พัฒนาการคาดเดา ร่วมกันเขียนว่า "เราโต้แย้งว่าสะพานไอน์สไตน์ โรเซนระหว่างหลุมดำสองหลุมนั้นถูกสร้างขึ้นโดยสหสัมพันธ์แบบ EPR ระหว่างสถานะระดับจุลภาคของหลุมดำทั้งสอง" และความเป็นคู่นั้นอาจกว้างกว่านั้น: "มันน่าดึงดูดใจมากที่จะ คิดอย่างนั้น ใด ระบบความสัมพันธ์ EPR เชื่อมต่อกันด้วยสะพาน ER บางประเภท”

บางทีรูหนอนอาจเชื่อมโยงอนุภาคทุกคู่ที่พัวพันกันในเอกภพ ทำให้เกิดการเชื่อมต่อเชิงพื้นที่ที่บันทึกประวัติศาสตร์ร่วมกันของพวกมัน บางทีลางสังหรณ์ของไอน์สไตน์ที่ว่ารูหนอนเกี่ยวข้องกับอนุภาคอาจถูกต้อง

สะพานที่แข็งแรง

เมื่อ Jafferis ได้ฟังการบรรยายของ Maldacena เกี่ยวกับ ER = EPR ในการประชุมในปี 2013 เขาตระหนักว่าความเป็นคู่ที่คาดคะเนควรอนุญาตให้คุณออกแบบรูหนอนตามความต้องการโดยปรับแต่งรูปแบบการพัวพัน

สะพานมาตรฐาน Einstein-Rosen สร้างความผิดหวังให้กับแฟนๆ sci-fi ทุกหนทุกแห่ง เพราะหากเป็นสะพานเดียว มันจะพังทลายลงอย่างรวดเร็วภายใต้แรงโน้มถ่วงของมันเอง และถูกบีบออกเป็นเวลานานก่อนที่ยานอวกาศหรือสิ่งอื่นใดจะผ่านเข้าไปได้ แต่แจฟเฟอริสจินตนาการถึงการร้อยลวดหรือการเชื่อมต่อทางกายภาพอื่นใดระหว่างอนุภาคสองชุดที่พันกันซึ่งเข้ารหัสปากทั้งสองของรูหนอน ด้วยการประกบกันแบบนี้ การทำงานกับอนุภาคด้านหนึ่งจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงกับอนุภาคอีกด้านหนึ่ง ซึ่งอาจทำให้รูหนอนเปิดระหว่างกัน “เป็นไปได้ไหมที่ทำให้รูหนอนเคลื่อนที่ได้?” Jafferis จำได้ว่าสงสัย ด้วยความหลงใหลในรูหนอนมาตั้งแต่เด็ก ซึ่งเป็นอัจฉริยะทางฟิสิกส์ เขาเริ่มเรียนที่มหาวิทยาลัยเยลเมื่ออายุ 14 ปี - แจฟเฟอริสไล่ตามคำถามที่ว่า "เกือบจะเป็นเรื่องสนุก"

กลับมาที่ฮาร์วาร์ด เขาและ ผิงเกานักศึกษาปริญญาโทในขณะนั้น และ อารอนวอลล์จากนั้น นักวิจัยที่มาเยี่ยมก็คำนวณในที่สุดว่า อันที่จริงแล้ว เมื่อจับคู่อนุภาคพันกันสองชุดเข้าด้วยกัน คุณจะสามารถทำการดำเนินการกับชุดทางซ้ายมือได้ ซึ่งในภาพอวกาศ-เวลามิติคู่ที่สูงกว่านั้นเปิดรูหนอนไว้ข้างหน้า ไปทางปากด้านขวาและดัน qubit ผ่าน

Jafferis, Gao และ Wall's การค้นพบในปี 2016 ของโฮโลแกรมรูหนอนที่เคลื่อนที่ได้นี้ทำให้นักวิจัยมีหน้าต่างใหม่เข้าสู่กลไกของโฮโลแกรม “ข้อเท็จจริงที่ว่าถ้าคุณทำสิ่งที่ถูกต้องจากภายนอก คุณก็จะผ่านเข้าไปได้ นั่นก็หมายความว่าคุณสามารถมองเห็นข้างในได้ด้วย” รูหนอน Jafferis กล่าว "หมายความว่าเป็นไปได้ที่จะตรวจสอบข้อเท็จจริงนี้ว่าระบบสองระบบที่พันกันได้รับการอธิบายโดยรูปทรงเรขาคณิตที่เชื่อมต่อกัน"

ภายในเวลาไม่กี่เดือน Maldacena และเพื่อนร่วมงานสองคนได้สร้างโครงการนี้ขึ้นโดยแสดงให้เห็นว่าสามารถรับรู้รูหนอนที่เคลื่อนที่ผ่านได้ในสภาพแวดล้อมที่เรียบง่าย — “ระบบควอนตัมที่เรียบง่ายพอที่เราจะจินตนาการสร้างมันขึ้นมาได้” Jafferis กล่าว

ตามที่เรียกกัน แบบจำลอง SYK เป็นระบบของอนุภาคสสารที่มีปฏิสัมพันธ์เป็นกลุ่มแทนที่จะเป็นคู่ตามปกติ อธิบายครั้งแรกโดย Subir Sachdev และ Jinwu Ye ในปี 1993 ทันใดนั้นแบบจำลองก็มีความสำคัญมากขึ้นในปี 2015 เมื่อนักฟิสิกส์ทฤษฎี อเล็กซี่ คิตาเยฟ ค้นพบว่าเป็นโฮโลแกรม ในการบรรยายในปีนั้นที่เมืองซานตาบาร์บารา รัฐแคลิฟอร์เนีย Kitaev (ซึ่งกลายเป็น K ใน SYK) ได้เขียนกระดานดำหลายแผ่นพร้อมหลักฐานว่ารุ่นเฉพาะของแบบจำลองที่อนุภาคสสารมีปฏิสัมพันธ์กันในกลุ่มสี่นั้นสามารถแมปทางคณิตศาสตร์กับสีดำหนึ่งมิติได้ เจาะรูในพื้นที่ AdS โดยมีสมมาตรและคุณสมบัติอื่นๆ ที่เหมือนกัน “คำตอบบางข้อจะเหมือนกันในสองกรณี” เขาบอกกับผู้ฟังที่ตื่นตระหนก มัลดาเซนานั่งอยู่แถวหน้า

เชื่อมโยงจุดต่าง ๆ มัลดาเซนาและผู้เขียนร่วม เสนอ ว่าโมเดล SYK สองโมเดลที่เชื่อมเข้าด้วยกันสามารถเข้ารหัสรูหนอนที่เคลื่อนที่ผ่านได้ของ Jafferis, Gao และ Wall ได้ Jafferis และ Gao วิ่งเข้ามาใกล้ ภายในปี 2019 พวกเขาหาทางไป ใบสั่งยาที่เป็นรูปธรรม สำหรับการเคลื่อนย้ายข้อมูลจำนวน qubit จากระบบอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์สี่ทิศทางไปยังอีกระบบหนึ่ง การหมุนทิศทางการหมุนของอนุภาคทั้งหมดในภาพอวกาศ-เวลาคู่ แปลเป็นคลื่นกระแทกพลังงานลบที่กวาดผ่านรูหนอน เตะควิบิตไปข้างหน้าและออกจากปากในเวลาที่คาดเดาได้

“รูหนอนของ Jafferis เป็นการรับรู้อย่างเป็นรูปธรรมครั้งแรกของ ER = EPR ซึ่งเขาแสดงให้เห็นว่าความสัมพันธ์นั้นมีอยู่จริงสำหรับระบบใดระบบหนึ่ง” กล่าว อเล็กซ์ ซโลคาปานักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาจาก Massachusetts Institute of Technology และผู้ร่วมเขียนการทดลองครั้งใหม่นี้

รูหนอนในห้องทดลอง

ในขณะที่งานทางทฤษฎีกำลังพัฒนา Maria Spiropulu นักฟิสิกส์อนุภาคเชิงทดลองที่ประสบความสำเร็จซึ่งมีส่วนร่วมในการค้นพบฮิกส์โบซอนในปี 2012 กำลังคิดเกี่ยวกับวิธีใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่เพิ่งตั้งขึ้นเพื่อทำการทดลองแรงโน้มถ่วงควอนตัมแบบโฮโลแกรม ในปี 2018 เธอชักชวนให้ Jafferis เข้าร่วมทีมที่กำลังเติบโตพร้อมกับนักวิจัยที่ Google Quantum AI ซึ่งเป็นผู้ดูแลอุปกรณ์ Sycamore

ในการเรียกใช้โปรโตคอลเทเลพอร์ตรูหนอนของ Jafferis และ Gao บนคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทันสมัย ​​แต่ก็ยังมีขนาดเล็กและเกิดข้อผิดพลาดได้ง่าย ทีมของ Spiropulu ต้องลดความซับซ้อนของโปรโตคอลอย่างมาก แบบจำลอง SYK เต็มรูปแบบประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมากมายนับไม่ถ้วนที่เชื่อมต่อกันโดยมีจุดแข็งแบบสุ่มเมื่อมีการโต้ตอบสี่ทางเกิดขึ้นตลอด ไม่สามารถคำนวณได้ แม้แต่การใช้ qubits ที่มีอยู่ทั้งหมด 50 บิตก็ยังต้องใช้การทำงานของวงจรหลายแสนครั้ง นักวิจัยเริ่มสร้างรูหนอนโฮโลกราฟิกที่มีเพียง XNUMX คิวบิตและการดำเนินการหลายร้อยครั้ง ในการทำเช่นนี้ พวกเขาต้อง "กระจาย" แบบจำลอง SYK เจ็ดอนุภาค เข้ารหัสเฉพาะการโต้ตอบสี่ทางที่แข็งแกร่งที่สุดและกำจัดส่วนที่เหลือ ในขณะที่ยังคงรักษาคุณสมบัติโฮโลกราฟิกของแบบจำลอง Spiropulu กล่าวว่า "นั่นใช้เวลาสองสามปีในการหาวิธีที่ชาญฉลาด

เคล็ดลับสู่ความสำเร็จอย่างหนึ่งคือ Zlokapa เด็กวง Waifish Orchestra ที่เข้าร่วมกลุ่มวิจัยของ Spiropulu ในฐานะนักศึกษาระดับปริญญาตรีของ Caltech โปรแกรมเมอร์ผู้มีพรสวรรค์ Zlokapa ได้แมปการโต้ตอบของอนุภาคของโมเดล SYK กับการเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ประสาทของโครงข่ายประสาทเทียม และฝึกระบบให้ลบการเชื่อมต่อเครือข่ายให้ได้มากที่สุดในขณะที่ยังคงรักษาลายเซ็นรูหนอนที่สำคัญไว้ ขั้นตอนนี้ลดจำนวนการโต้ตอบสี่ทางจากร้อยเหลือห้า

ด้วยเหตุนี้ ทีมงานจึงเริ่มเขียนโปรแกรม qubits ของ Sycamore เจ็ดคิวบิตเข้ารหัสอนุภาคสสาร 14 ชิ้น — อย่างละเจ็ดชิ้นในระบบ SYK ทางซ้ายและขวา โดยทุกอนุภาคทางซ้ายจะพัวพันกับหนึ่งทางทางขวา ควอบิตที่แปด ในการรวมกันของสถานะ 0 และ 1 ที่เป็นไปได้บางอย่าง จะถูกสลับกับหนึ่งในอนุภาคจากแบบจำลอง SYK ด้านซ้าย สถานะที่เป็นไปได้ของ qubit นั้นจะยุ่งเหยิงกับสถานะของอนุภาคอื่นๆ ทางด้านซ้ายอย่างรวดเร็ว กระจายข้อมูลของมันอย่างเท่าๆ กันระหว่างพวกมันเหมือนหมึกหยดหนึ่งในน้ำ นี่เป็นภาพโฮโลกราฟิกคู่กับคิวบิตที่เข้าสู่ปากด้านซ้ายของรูหนอนหนึ่งมิติในพื้นที่ AdS

จากนั้นจะเกิดการหมุนครั้งใหญ่ของคิวบิตทั้งหมด ซึ่งเป็นการเต้นเป็นจังหวะของพลังงานเชิงลบที่ไหลผ่านรูหนอน การหมุนทำให้ qubit ที่ถูกฉีดถ่ายโอนไปยังอนุภาคของโมเดล SYK ทางขวามือ จากนั้นข้อมูลจะไม่กระจาย Preskill กล่าวว่า "เหมือนความโกลาหลวิ่งถอยหลัง" และโฟกัสไปที่ตำแหน่งของอนุภาคเดี่ยวทางด้านขวา ซึ่งเป็นพันธมิตรที่พัวพันกับอนุภาคทางซ้ายมือที่ถูกสับเปลี่ยนออกไป จากนั้นสถานะของ qubits จะถูกวัดทั้งหมด การนับ 0 และ 1 ในการทดลองหลายครั้งและเปรียบเทียบสถิติเหล่านี้กับสถานะที่เตรียมไว้ของคิวบิตที่ถูกฉีดเข้าไปจะเผยให้เห็นว่าคิวบิตกำลังเทเลพอร์ตอยู่หรือไม่

นักวิจัยมองหาจุดสูงสุดในข้อมูลที่แสดงถึงความแตกต่างระหว่างสองกรณี: หากพวกเขาเห็นจุดสูงสุด นั่นหมายถึงการหมุนของ qubit ที่เป็นสองเท่าของพัลส์พลังงานเชิงลบทำให้ qubits สามารถเทเลพอร์ตได้ ในขณะที่การหมุนในทิศทางตรงกันข้ามคือ สองเท่าของพลังงานบวกปกติเป็นพัลส์ อย่าปล่อยให้ qubits ผ่านไป (แต่กลับทำให้รูหนอนปิด)

ดึกคืนหนึ่งในเดือนมกราคม หลังจากสองปีของการปรับปรุงอย่างค่อยเป็นค่อยไปและความพยายามในการลดเสียงรบกวน Zlokapa เรียกใช้โปรโตคอลที่เสร็จสมบูรณ์บน Sycamore จากระยะไกลจากห้องนอนในวัยเด็กของเขาในบริเวณอ่าวซานฟรานซิสโก ที่ซึ่งเขาใช้เวลาช่วงพักฤดูหนาวหลังจากภาคเรียนแรกของบัณฑิตวิทยาลัย .

ยอดปรากฏบนหน้าจอคอมพิวเตอร์ของเขา

“มันคมขึ้นเรื่อยๆ” เขากล่าว “ฉันส่งภาพหน้าจอของยอดเขาให้ Maria และรู้สึกตื่นเต้นมาก เขียนว่า 'ฉันคิดว่าตอนนี้เราเห็นรูหนอนแล้ว'” จุดสูงสุดคือ “สัญญาณแรกที่คุณเห็นแรงโน้มถ่วงบนคอมพิวเตอร์ควอนตัม”

สไปโรปูลูบอกว่าเธอแทบไม่อยากเชื่อยอดที่ใสสะอาดที่เธอเห็น “มันคล้ายกับตอนที่ฉันเห็นข้อมูลการค้นพบฮิกส์ครั้งแรก” เธอกล่าว “ไม่ใช่เพราะฉันไม่ได้คาดหวัง แต่มันมาต่อหน้าฉันมากเกินไป”

น่าแปลกใจที่แม้จะมีความเรียบง่ายของโครงกระดูกของรูหนอน แต่นักวิจัยก็ตรวจพบลายเซ็นที่สองของไดนามิกของรูหนอน ซึ่งเป็นรูปแบบที่ละเอียดอ่อนในวิธีที่ข้อมูลแพร่กระจายและไม่แพร่กระจายระหว่างคิวบิตที่เรียกว่า “การคดเคี้ยวตามขนาด” พวกเขาไม่ได้ฝึกโครงข่ายประสาทเทียมเพื่อรักษาสัญญาณนี้ไว้ในขณะที่มันกระจายโมเดล SYK ออกไป ดังนั้นความจริงที่ว่าการไขลานขนาดปรากฏขึ้นยังไงก็เป็นการค้นพบเชิงทดลองเกี่ยวกับฮอโลกราฟี

“เราไม่ได้เรียกร้องอะไรเกี่ยวกับคุณสมบัติที่คดเคี้ยวขนาดนี้ แต่เราพบว่ามันเพิ่งโผล่ออกมา” Jafferis กล่าว สิ่งนี้ "ยืนยันความแข็งแกร่ง" ของความเป็นคู่ของโฮโลแกรม เขากล่าว “ทำให้ [คุณสมบัติ] หนึ่งปรากฏขึ้น จากนั้นคุณจะได้ส่วนที่เหลือทั้งหมด ซึ่งเป็นหลักฐานชนิดหนึ่งว่าภาพแรงโน้มถ่วงนี้เป็นภาพที่ถูกต้อง”

ความหมายของรูหนอน

Jafferis ผู้ซึ่งไม่เคยคาดหวังว่าจะเป็นส่วนหนึ่งของการทดลองรูหนอน (หรืออื่นๆ) คิดว่าหนึ่งในประเด็นที่สำคัญที่สุดคือสิ่งที่การทดลองพูดถึงกลศาสตร์ควอนตัม ปรากฏการณ์ทางควอนตัมเช่นการพัวพันมักจะทึบและเป็นนามธรรม เราไม่รู้ว่าการวัดอนุภาค A กำหนดสถานะของ B จากระยะไกลได้อย่างไร แต่ในการทดลองครั้งใหม่นี้ ปรากฏการณ์ควอนตัมที่อธิบายไม่ได้ ซึ่งเป็นข้อมูลที่เคลื่อนย้ายไปมาระหว่างอนุภาค มีการตีความที่จับต้องได้ว่าเป็นอนุภาคที่ได้รับพลังงานและเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่คำนวณได้จาก A ถึง B “ดูเหมือนจะมีเรื่องราวดีๆ จากประเด็นนี้ มุมมองของ qubit; มันเคลื่อนไหวอย่างมีเหตุผล” Jafferis กล่าว บางทีกระบวนการควอนตัมอย่างเช่นการเคลื่อนย้ายทางไกล "มักจะรู้สึกถึงแรงดึงดูดต่อคิวบิตนั้น หากมีสิ่งนั้นออกมาจากการทดลองนี้และการทดลองอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง นั่นจะบอกเราถึงบางสิ่งที่ลึกซึ้งเกี่ยวกับจักรวาลของเราอย่างแน่นอน”

Susskind ผู้ซึ่งได้ดูผลลัพธ์ของวันนี้ตั้งแต่เนิ่นๆ กล่าวว่า เขาหวังว่าการทดลองรูหนอนในอนาคตที่เกี่ยวข้องกับควิบิตอื่นๆ อีกมาก จะสามารถนำมาใช้ในการสำรวจภายในรูหนอนเพื่อเป็นแนวทางในการตรวจสอบคุณสมบัติทางควอนตัมของแรงโน้มถ่วง “โดยการวัดสิ่งที่ผ่านเข้าไป คุณจะซักไซ้และดูว่ามีอะไรอยู่ข้างใน” เขากล่าว “นั่นดูเป็นแนวทางที่น่าสนใจสำหรับฉัน”

นักฟิสิกส์บางคนจะกล่าวว่าการทดลองไม่ได้บอกอะไรเราเกี่ยวกับเอกภพของเรา เนื่องจากมันตระหนักถึงความเป็นสองส่วนระหว่างกลศาสตร์ควอนตัมและสเปซแอนติ-เดอ-ซิตเตอร์ ซึ่งจักรวาลของเราไม่ใช่

ในช่วง 25 ปีนับตั้งแต่ Maldacena ค้นพบการติดต่อสื่อสารระหว่าง AdS/CFT นักฟิสิกส์ได้แสวงหาความเป็นคู่แบบโฮโลกราฟิกที่คล้ายกันสำหรับอวกาศ de Sitter ซึ่งเป็นแผนที่ที่เปลี่ยนจากระบบควอนตัมไปสู่จักรวาล de Sitter ที่ได้รับพลังงานบวกและขยายออกไปที่เราอาศัยอยู่ แต่ความก้าวหน้านั้น ช้ากว่า AdS มาก ทำให้บางคนสงสัยว่า de Sitter space เป็นโฮโลแกรมหรือไม่ “คำถามเช่น 'แล้วการทำให้สิ่งนี้ทำงานในกรณีจริงของ dS ล่ะ' ไม่ใช่เรื่องใหม่แต่เก่ามาก และเป็นเรื่องของความพยายามที่ไม่ประสบผลสำเร็จนับหมื่นปีบุคคล” Woit นักวิจารณ์การวิจัย AdS/CFT กล่าว “สิ่งที่จำเป็นคือแนวคิดบางอย่างที่ค่อนข้างแตกต่าง”

นักวิจารณ์โต้แย้งว่าช่องว่างทั้งสองประเภทแตกต่างกันอย่างเด็ดขาด: AdS มีขอบเขตภายนอกและพื้นที่ dS ไม่มี ดังนั้นจึงไม่มีการเปลี่ยนแปลงทางคณิตศาสตร์ที่ราบรื่นซึ่งสามารถเปลี่ยนรูปแบบหนึ่งไปสู่อีกรูปแบบหนึ่งได้ และขอบเขตที่แข็งของสเปซ AdS คือสิ่งที่ทำให้โฮโลกราฟฟีง่ายในการตั้งค่านั้น ทำให้เกิดพื้นผิวควอนตัมที่จะฉายอวกาศ เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว ในจักรวาล de Sitter ขอบเขตเดียวคือขอบเขตที่ไกลที่สุดที่เรามองเห็นและอนาคตที่ไม่มีที่สิ้นสุด พื้นผิวเหล่านี้เป็นพื้นผิวที่มืดครึ้มเพื่อลองฉายโฮโลแกรมอวกาศ-เวลา

เรนาเต ลอลนักทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัมที่ Radboud University ในประเทศเนเธอร์แลนด์ ยังได้เน้นย้ำว่าการทดลองรูหนอนเกี่ยวข้องกับอวกาศ-เวลาแบบ 2 มิติ รูหนอนเป็นเส้นใยที่มีมิติเชิงพื้นที่หนึ่งมิติบวกกับมิติเวลา ในขณะที่แรงโน้มถ่วงซับซ้อนกว่าในอวกาศแบบ 4 มิติ เวลาที่เราอาศัยอยู่จริงๆ “มันค่อนข้างดึงดูดใจที่จะเข้าไปพัวพันกับความซับซ้อนของโมเดลของเล่น 2 มิติ” เธอกล่าวทางอีเมล “ในขณะที่มองไม่เห็นความท้าทายที่แตกต่างและใหญ่กว่าที่รอเราอยู่ในแรงโน้มถ่วงควอนตัม 4 มิติ สำหรับทฤษฎีนั้น ฉันมองไม่เห็นว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีความสามารถในปัจจุบันจะช่วยได้มากเพียงใด … แต่ฉันยินดีจะแก้ไขให้ถูกต้อง”

นักวิจัยแรงโน้มถ่วงควอนตัมส่วนใหญ่เชื่อว่าสิ่งเหล่านี้ล้วนเป็นปัญหาที่ยากแต่สามารถแก้ไขได้ — รูปแบบการพัวพันที่ถักทอพื้นที่ 4D de Sitter นั้นซับซ้อนกว่าโฆษณา 2 มิติ แต่เรายังสามารถแยกบทเรียนทั่วไปได้ด้วยการศึกษาโฮโลแกรมในการตั้งค่าที่ง่ายกว่า ค่ายนี้มักจะมองว่าพื้นที่สองประเภทคือ dS และ AdS มีความเหมือนมากกว่าต่างกัน ทั้งสองเป็นคำตอบของทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ แตกต่างกันเพียงเครื่องหมายลบ จักรวาลทั้ง dS และ AdS มีหลุมดำที่ถูกรบกวนด้วยความขัดแย้งเดียวกัน และเมื่อคุณอยู่ลึกเข้าไปในพื้นที่ AdS ห่างไกลจากผนังด้านนอก คุณแทบจะไม่สามารถแยกความแตกต่างของสภาพแวดล้อมจาก de Sitter ได้

ถึงกระนั้น Susskind ก็ตกลงว่าถึงเวลาที่จะต้องเอาจริง “ผมคิดว่าถึงเวลาแล้วที่เราจะออกจากชั้นป้องกันของพื้นที่ AdS และเปิดสู่โลกที่อาจเกี่ยวข้องกับจักรวาลวิทยามากกว่านี้” เขากล่าว “De Sitter Space เป็นสัตว์ร้ายอีกชนิดหนึ่ง”

ด้วยเหตุนี้ Susskind จึงมีความคิดใหม่ ใน พิมพ์ล่วงหน้า โพสต์ออนไลน์ในเดือนกันยายน เขาเสนอว่า de Sitter space อาจเป็นโฮโลแกรมของโมเดล SYK เวอร์ชันอื่น ซึ่งไม่ใช่โมเดลที่มีปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคสี่ทิศทาง แต่เป็นโมเดลที่จำนวนของอนุภาคที่เกี่ยวข้องในแต่ละอันตรกิริยาจะเพิ่มขึ้นตามตาราง รากของจำนวนอนุภาคทั้งหมด “ขีดจำกัดสองเท่า” ของโมเดล SYK นี้คือ “พฤติกรรมเหมือนผู้ดูแลมากกว่า AdS” เขากล่าว “ยังห่างไกลจากข้อพิสูจน์ แต่มีหลักฐานเชิงประจักษ์”

ระบบควอนตัมดังกล่าวมีความซับซ้อนมากกว่าที่เคยตั้งโปรแกรมไว้ และ “ฉันไม่รู้ว่าขีดจำกัดนั้นจะเป็นสิ่งที่จะเกิดขึ้นจริงในห้องทดลองหรือไม่” ซัสสกินด์กล่าว สิ่งที่ดูเหมือนจะแน่นอนก็คือ ตอนนี้มีรูหนอนโฮโลแกรมหนึ่งรูแล้ว รูหนอนโฮโลกราฟิกจะเปิดขึ้นอีก