Các nhà vật lý tạo lỗ sâu bằng máy tính lượng tử

Các nhà vật lý được cho là đã tạo ra lỗ sâu đục đầu tiên, một loại đường hầm do Albert Einstein và Nathan Rosen đưa ra giả thuyết vào năm 1935, dẫn từ nơi này đến nơi khác bằng cách đi vào một chiều không gian khác.

Lỗ giun xuất hiện giống như một hình ba chiều từ các bit thông tin lượng tử, hay còn gọi là “qubit”, được lưu trữ trong các mạch siêu dẫn nhỏ. Sau đó, bằng cách điều khiển các qubit, các nhà vật lý đã gửi thông tin qua lỗ sâu đục. báo cáo hôm nay trên tạp chí Thiên nhiên.

Đội, dẫn đầu bởi Maria Spiropulu của Viện Công nghệ California, đã triển khai “giao thức dịch chuyển tức thời lỗ giun” mới bằng cách sử dụng máy tính lượng tử của Google, một thiết bị có tên Sycamore được đặt tại Google Quantum AI ở Santa Barbara, California. Với “thí nghiệm hấp dẫn lượng tử trên một con chip” đầu tiên thuộc loại này, như Spiropulu đã mô tả, cô và nhóm của mình đã đánh bại một nhóm các nhà vật lý cạnh tranh. những người muốn thực hiện dịch chuyển tức thời lỗ sâu với máy tính lượng tử của IBM và Quantinuum.

Khi Spiropulu nhìn thấy chữ ký quan trọng cho thấy các qubit đang đi qua lỗ sâu đục, cô ấy nói, “Tôi đã bị chấn động.”

Thí nghiệm có thể được coi là bằng chứng cho nguyên lý ba chiều, một giả thuyết sâu rộng về cách hai trụ cột của vật lý cơ bản, cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng, khớp với nhau. Từ những năm 1930, các nhà vật lý đã cố gắng dung hòa những lý thuyết rời rạc này — một lý thuyết là cuốn sách quy tắc về nguyên tử và hạt hạ nguyên tử, lý thuyết kia là mô tả của Einstein về cách thức vật chất và năng lượng làm cong cấu trúc không-thời gian, tạo ra lực hấp dẫn. Nguyên tắc hình ba chiều, nổi lên từ những năm 1990, thừa nhận sự tương đương về mặt toán học hay “tính đối ngẫu” giữa hai khuôn khổ. Nó nói rằng tính liên tục không-thời gian uốn cong được mô tả bởi thuyết tương đối rộng thực sự là một hệ thống lượng tử của các hạt được ngụy trang. Không-thời gian và lực hấp dẫn xuất hiện từ các hiệu ứng lượng tử giống như một hình ba chiều 3D chiếu ra khỏi mẫu 2D.

Thật vậy, thí nghiệm mới xác nhận rằng các hiệu ứng lượng tử, thuộc loại mà chúng ta có thể kiểm soát trong máy tính lượng tử, có thể làm phát sinh một hiện tượng mà chúng ta mong đợi sẽ thấy trong thuyết tương đối - lỗ sâu đục. Hệ thống qubit đang phát triển trong chip Sycamore “có mô tả thay thế thực sự thú vị này,” cho biết John Preskill, một nhà vật lý lý thuyết tại Caltech, người không tham gia vào thí nghiệm. “Bạn có thể nghĩ về hệ thống bằng một ngôn ngữ rất khác là lực hấp dẫn.”

Rõ ràng, không giống như ảnh ba chiều thông thường, lỗ sâu đục không phải là thứ mà chúng ta có thể nhìn thấy. Mặc dù nó có thể được coi là “một sợi dây tóc của không-thời gian thực”, theo đồng tác giả Daniel Jafferis của Đại học Harvard, nhà phát triển hàng đầu của giao thức dịch chuyển tức thời lỗ sâu, đó không phải là một phần của cùng một thực tế mà chúng ta và máy tính Sycamore đang sống. Nguyên lý ba chiều nói rằng hai thực tại — một thực tế có lỗ sâu đục và một thực tế có các qubit — là các phiên bản thay thế của cùng một vật lý, nhưng làm thế nào để khái niệm hóa loại đối ngẫu này vẫn còn là một bí ẩn.

Ý kiến ​​​​sẽ khác nhau về ý nghĩa cơ bản của kết quả. Điều quan trọng là lỗ sâu ba chiều trong thí nghiệm bao gồm một loại không-thời gian khác với không-thời gian của vũ trụ của chúng ta. Người ta còn tranh cãi liệu thí nghiệm có củng cố giả thuyết rằng không-thời gian mà chúng ta đang sống cũng là hình ba chiều, được tạo mẫu bởi các bit lượng tử hay không.

Jafferis nói: “Tôi nghĩ đúng là lực hấp dẫn trong vũ trụ của chúng ta xuất hiện từ một số [bit] lượng tử giống như cách mà lỗ giun một chiều nhỏ bé này xuất hiện” từ con chip Sycamore, Jafferis nói. “Tất nhiên chúng ta không biết chắc điều đó. Chúng tôi đang cố gắng để hiểu nó.”

Vào lỗ sâu

Câu chuyện về lỗ sâu ba chiều bắt nguồn từ hai bài báo dường như không liên quan được xuất bản năm 1935: một bởi Einstein và Rosen, được gọi là ER, khác bởi hai người họ và Boris Podolsky, được gọi là EPR. Cả hai bài báo ER và EPR ban đầu được đánh giá là tác phẩm bên lề của E vĩ đại. Điều đó đã thay đổi.

Trong bài báo ER, Einstein và trợ lý trẻ tuổi của ông, Rosen, đã tình cờ phát hiện ra khả năng tồn tại lỗ sâu đục trong khi cố gắng mở rộng thuyết tương đối rộng thành một lý thuyết thống nhất về mọi thứ — một mô tả không chỉ về không-thời gian mà còn về các hạt hạ nguyên tử lơ lửng trong đó. Họ đã tập trung vào những điểm yếu trong kết cấu không-thời gian mà nhà vật lý kiêm quân nhân người Đức Karl Schwarzschild đã tìm thấy trong các nếp gấp của thuyết tương đối rộng vào năm 1916, chỉ vài tháng sau khi Einstein công bố lý thuyết. Schwarzschild đã chỉ ra rằng khối lượng có thể hấp dẫn chính nó nhiều đến mức nó trở nên tập trung vô hạn tại một điểm, làm cong không-thời gian đột ngột ở đó khiến các biến trở nên vô hạn và các phương trình của Einstein bị sai. Bây giờ chúng ta biết rằng những “điểm kỳ dị” này tồn tại khắp vũ trụ. Chúng là những điểm chúng ta không thể mô tả hay nhìn thấy, mỗi điểm đều ẩn ở trung tâm của lỗ đen hấp dẫn tất cả ánh sáng gần đó. Các điểm kỳ dị là nơi mà một lý thuyết lượng tử về lực hấp dẫn là cần thiết nhất.

Einstein và Rosen suy đoán rằng toán học của Schwarzschild có thể là một cách để cắm các hạt cơ bản vào thuyết tương đối rộng. Để bức tranh hoạt động hiệu quả, họ đã loại bỏ điểm kỳ dị ra khỏi các phương trình của ông, hoán đổi các biến số mới thay thế điểm sắc nét bằng một ống ngoài chiều trượt sang một phần khác của không-thời gian. Einstein và Rosen đã lập luận, một cách sai lầm nhưng đã được dự đoán trước, rằng những “cây cầu” (hay lỗ sâu đục) này có thể đại diện cho các hạt.

Trớ trêu thay, khi cố gắng liên kết các lỗ sâu đục và các hạt, bộ đôi này đã không xem xét đến hiện tượng hạt kỳ lạ mà họ đã xác định hai tháng trước đó với Podolsky, trong bài báo EPR: rối lượng tử.

Sự vướng víu phát sinh khi hai hạt tương tác. Theo các quy tắc lượng tử, các hạt có thể có nhiều trạng thái khả dĩ cùng một lúc. Điều này có nghĩa là sự tương tác giữa các hạt có nhiều kết quả có thể xảy ra, tùy thuộc vào trạng thái ban đầu của mỗi hạt. Tuy nhiên, luôn luôn, các trạng thái kết quả của chúng sẽ được liên kết với nhau — hạt A kết thúc như thế nào phụ thuộc vào cách hạt B xuất hiện. Sau một tương tác như vậy, các hạt có một công thức chung xác định các trạng thái kết hợp khác nhau mà chúng có thể có.

Hệ quả gây sốc, khiến các tác giả EPR nghi ngờ thuyết lượng tử, là “tác dụng ma quái ở khoảng cách xa”, như Einstein đã nói: Phép đo hạt A (chọn ra một thực tại trong số các khả năng của nó) ngay lập tức quyết định trạng thái tương ứng của B, bất kể B ở xa bao nhiêu.

Sự vướng víu đã tăng lên về tầm quan trọng được nhận thức kể từ khi các nhà vật lý phát hiện ra vào những năm 1990 rằng nó cho phép các loại tính toán mới. Việc quấn hai qubit — các vật thể lượng tử giống như các hạt tồn tại ở hai trạng thái có thể có, 0 và 1 — tạo ra bốn trạng thái có thể có với các khả năng khác nhau (0 và 0, 0 và 1, 1 và 0, và 1 và 1). Ba qubit tạo ra tám khả năng đồng thời, v.v.; sức mạnh của một “máy tính lượng tử” tăng theo cấp số nhân với mỗi qubit vướng víu bổ sung. Khéo léo sắp xếp sự vướng víu và bạn có thể hủy bỏ tất cả các kết hợp của số 0 và số 1 ngoại trừ chuỗi đưa ra câu trả lời cho một phép tính. Các máy tính lượng tử nguyên mẫu được tạo thành từ vài chục qubit đã được hiện thực hóa trong vài năm qua, dẫn đầu là cỗ máy Sycamore 54 qubit của Google.

Trong khi đó, các nhà nghiên cứu hấp dẫn lượng tử đã tập trung vào vướng víu lượng tử vì một lý do khác: như mã nguồn có thể có của hình ba chiều không-thời gian.

ER = EPR

Cuộc nói chuyện về không-thời gian mới nổi và hình ba chiều bắt đầu vào cuối những năm 1980, sau khi nhà lý thuyết lỗ đen John Wheeler công bố quan điểm rằng không-thời gian và mọi thứ trong đó có thể bắt nguồn từ thông tin. Ngay sau đó, các nhà nghiên cứu khác, bao gồm cả nhà vật lý người Hà Lan Gerard 't Hooft, đã tự hỏi liệu sự xuất hiện này có giống với hình chiếu của ảnh ba chiều hay không. Các ví dụ đã được cắt xén trong các nghiên cứu về lỗ đen và trong lý thuyết dây, trong đó một mô tả về một kịch bản vật lý có thể được chuyển thành một cách nhìn có giá trị tương đương về nó với một chiều không gian bổ sung. Trong một bài báo năm 1994 có tiêu đề “Thế giới như một hình ba chiều, " Leonard Susskind, một nhà lý thuyết hấp dẫn lượng tử tại Đại học Stanford, đã bổ sung nguyên lý toàn ảnh của 't Hooft, lập luận rằng một thể tích của không-thời gian uốn cong được mô tả bởi thuyết tương đối rộng là tương đương, hay “kép,” với một hệ các hạt lượng tử ở chiều thấp hơn của khu vực ranh giới.

Ba năm sau, một ví dụ quan trọng về ảnh toàn ký đã xuất hiện. Juan Maldacena, một nhà lý thuyết hấp dẫn lượng tử hiện đang làm việc tại Viện Nghiên cứu Cao cấp ở Princeton, New Jersey, phát hiện rằng một loại không gian được gọi là không gian anti-de Sitter (AdS) thực sự là một hình ba chiều.

Vũ trụ thực tế là không gian de Sitter, một quả cầu không ngừng phát triển được hướng ra ngoài bởi năng lượng tích cực của chính nó. Ngược lại, không gian AdS được truyền năng lượng âm — do sự khác biệt về dấu của một hằng số trong các phương trình của thuyết tương đối rộng — tạo cho không gian một hình học “hyperbolic”: Các vật thể co lại khi chúng di chuyển ra ngoài từ tâm không gian, trở thành vô cùng nhỏ ở một ranh giới bên ngoài. Maldacena đã chỉ ra rằng không-thời gian và lực hấp dẫn bên trong vũ trụ AdS tương ứng chính xác với các tính chất của một hệ lượng tử trên ranh giới (cụ thể là một hệ được gọi là lý thuyết trường phù hợp, hay CFT).

Bài báo nổi tiếng năm 1997 của Maldacena mô tả “sự tương ứng của AdS/CFT” này đã được các nghiên cứu tiếp theo trích dẫn 22,000 lần — trung bình hơn hai lần một ngày. “Cố gắng khai thác các ý tưởng dựa trên AdS/CFT là mục tiêu chính của hàng ngàn nhà lý thuyết giỏi nhất trong nhiều thập kỷ,” cho biết Peter Woit, một nhà vật lý toán học tại Đại học Columbia.

Khi chính Maldacena khám phá bản đồ AdS/CFT giữa không-thời gian động và các hệ lượng tử, anh ấy đã có một khám phá mới về lỗ sâu đục. Ông đang nghiên cứu một dạng vướng víu đặc biệt liên quan đến hai tập hợp hạt, trong đó mỗi hạt trong tập hợp này bị vướng víu với một hạt trong tập hợp kia. Maldacena cho thấy rằng trạng thái này là đối ngẫu về mặt toán học với một hình ba chiều khá ấn tượng: một cặp lỗ đen trong không gian AdS có phần bên trong kết nối thông qua một lỗ giun.

Phải một thập kỷ trôi qua trước khi Maldacena, vào năm 2013 (trong hoàn cảnh mà “thật lòng mà nói, tôi không nhớ,” ông nói), nhận ra rằng khám phá của mình có thể biểu thị sự tương ứng tổng quát hơn giữa rối lượng tử và kết nối qua lỗ sâu đục. Anh ấy đã đặt ra một phương trình nhỏ khó hiểu - ER = EPR - trong một email gửi cho Susskind, người đã hiểu ngay lập tức. Hai người nhanh chóng đã phát triển phỏng đoán cùng nhau, viết, “Chúng tôi lập luận rằng cầu nối Einstein Rosen giữa hai lỗ đen được tạo ra bởi các mối tương quan giống như EPR giữa các trạng thái vi mô của hai lỗ đen,” và rằng tính đối ngẫu có thể tổng quát hơn thế: “Thật hấp dẫn khi nghĩ rằng bất kì Hệ thống tương quan EPR được kết nối bằng một loại cầu ER nào đó.”

Có thể một lỗ sâu đục liên kết mọi cặp hạt vướng víu trong vũ trụ, tạo nên một kết nối không gian ghi lại lịch sử chung của chúng. Có thể linh cảm của Einstein rằng lỗ sâu đục có liên quan đến các hạt là đúng.

Một cây cầu chắc chắn

Khi Jafferis nghe Maldacena thuyết trình về ER = EPR tại một hội nghị vào năm 2013, anh ấy nhận ra rằng tính đối ngẫu được phỏng đoán sẽ cho phép bạn thiết kế các lỗ giun theo yêu cầu bằng cách điều chỉnh mô hình vướng víu.

Những cây cầu Einstein-Rosen tiêu chuẩn là nỗi thất vọng đối với những người hâm mộ khoa học viễn tưởng ở khắp mọi nơi: Nếu được hình thành, nó sẽ nhanh chóng sụp đổ dưới lực hấp dẫn của chính nó và bị gãy rất lâu trước khi tàu vũ trụ hoặc bất kỳ thứ gì khác có thể đi qua. Nhưng Jafferis đã tưởng tượng việc xâu một sợi dây hoặc bất kỳ kết nối vật lý nào khác giữa hai tập hợp các hạt vướng víu mã hóa hai miệng của lỗ sâu đục. Với kiểu khớp nối này, hoạt động trên các hạt ở một bên sẽ tạo ra những thay đổi đối với các hạt ở bên kia, có lẽ sẽ mở ra lỗ sâu đục giữa chúng. “Có thể nào điều đó làm cho hố giun có thể đi xuyên qua được không?” Jafferis nhớ lại đã tự hỏi. Bị hố giun mê hoặc từ khi còn nhỏ — một thần đồng vật lý, bắt đầu học tại Đại học Yale năm 14 tuổi — Jafferis theo đuổi câu hỏi “gần như chỉ để cho vui”.

Trở lại Harvard, ông và Bình Cao, sinh viên tốt nghiệp của anh ấy vào thời điểm đó, và Tường Aron, sau đó là một nhà nghiên cứu đến thăm, cuối cùng đã tính toán rằng, trên thực tế, bằng cách ghép hai tập hợp các hạt vướng víu, bạn có thể thực hiện một thao tác trên tập hợp bên trái, trong bức tranh không-thời gian kép, chiều cao hơn, giữ mở lỗ sâu dẫn đầu đến miệng bên phải và đẩy một qubit đi qua.

Jafferis, Gao và Wall's khám phá 2016 của lỗ sâu ba chiều, có thể đi qua này đã mang đến cho các nhà nghiên cứu một cửa sổ mới về cơ học của ảnh ba chiều. Jafferis nói: “Thực tế là nếu bạn làm những điều đúng đắn từ bên ngoài thì cuối cùng bạn có thể vượt qua, điều đó cũng có nghĩa là bạn có thể nhìn thấy bên trong” hố sâu. “Điều đó có nghĩa là có thể thăm dò thực tế rằng hai hệ thống vướng víu được mô tả bằng một số hình học liên thông.”

Trong vòng vài tháng, Maldacena và hai đồng nghiệp đã xây dựng kế hoạch này bằng cách chỉ ra rằng lỗ sâu đục có thể đi qua có thể được thực hiện trong một bối cảnh đơn giản - “một hệ lượng tử đủ đơn giản để chúng ta có thể tưởng tượng việc tạo ra nó,” Jafferis nói.

Mô hình SYK, như tên gọi của nó, là một hệ thống các hạt vật chất tương tác theo nhóm, thay vì theo cặp thông thường. Được mô tả lần đầu tiên bởi Subir Sachdev và Jinwu Ye vào năm 1993, mô hình đột nhiên trở nên quan trọng hơn nhiều kể từ năm 2015 khi nhà vật lý lý thuyết Alexei Kitaev phát hiện ra rằng nó là ảnh ba chiều. Tại một bài giảng năm đó ở Santa Barbara, California, Kitaev (người đã trở thành K trong SYK) đã lấp đầy một số bảng đen bằng chứng rằng phiên bản cụ thể của mô hình trong đó các hạt vật chất tương tác theo nhóm bốn có thể lập bản đồ toán học thành màu đen một chiều. lỗ hổng trong không gian AdS, với các đối xứng giống hệt nhau và các thuộc tính khác. “Một số câu trả lời giống nhau trong hai trường hợp,” anh ấy nói với một khán giả say mê. Maldacena đang ngồi ở hàng ghế đầu.

Kết nối các dấu chấm, Maldacena và đồng tác giả đề xuất rằng hai mô hình SYK được liên kết với nhau có thể mã hóa hai miệng của lỗ sâu có thể đi qua của Jafferis, Gao và Wall. Jafferis và Gao chạy theo cách tiếp cận. Đến năm 2019, họ đã tìm được đường đến một đơn thuốc cụ thể để dịch chuyển một qubit thông tin từ một hệ thống gồm các hạt tương tác bốn chiều này sang hệ thống khác. Trong bức tranh không-thời gian kép, việc quay tất cả các hướng quay của các hạt sẽ chuyển thành một sóng xung kích năng lượng âm quét qua lỗ giun, đẩy qubit về phía trước và ra khỏi miệng vào một thời điểm có thể dự đoán được.

“Hố sâu của Jafferis là hiện thực cụ thể đầu tiên của ER = EPR, nơi anh ấy chỉ ra mối quan hệ giữ chính xác cho một hệ thống cụ thể,” cho biết Alex Zlokapa, một nghiên cứu sinh tại Viện Công nghệ Massachusetts và là đồng tác giả của thí nghiệm mới.

Lỗ giun trong phòng thí nghiệm

Khi công trình lý thuyết đang phát triển, Maria Spiropulu, một nhà vật lý hạt thực nghiệm tài ba, người đã tham gia vào khám phá hạt Higgs vào năm 2012, đã suy nghĩ về cách sử dụng máy tính lượng tử non trẻ để thực hiện các thí nghiệm hấp dẫn lượng tử ba chiều. Vào năm 2018, cô đã thuyết phục Jafferis tham gia vào nhóm đang phát triển của mình, cùng với các nhà nghiên cứu tại Google Quantum AI — những người quản lý thiết bị Sycamore.

Để chạy giao thức dịch chuyển lỗ sâu của Jafferis và Gao trên máy tính lượng tử tối tân nhưng vẫn còn nhỏ và dễ bị lỗi, nhóm của Spiropulu đã phải đơn giản hóa giao thức rất nhiều. Một mô hình SYK đầy đủ thực tế bao gồm vô số hạt được ghép nối với nhau với các cường độ ngẫu nhiên khi các tương tác bốn chiều xảy ra xuyên suốt. Điều này là không khả thi để tính toán; ngay cả khi sử dụng tất cả 50 qubit lẻ có sẵn cũng sẽ yêu cầu hàng trăm nghìn hoạt động mạch. Các nhà nghiên cứu bắt đầu tạo ra một lỗ sâu ba chiều chỉ với bảy qubit và hàng trăm phép toán. Để làm được điều này, họ phải “phân tán” mô hình SYK bảy hạt, chỉ mã hóa các tương tác bốn chiều mạnh nhất và loại bỏ phần còn lại, trong khi vẫn giữ được các thuộc tính ảnh ba chiều của mô hình. Spiropulu nói: “Phải mất vài năm để tìm ra một cách thông minh để làm điều đó.

Một bí quyết thành công là Zlokapa, một đứa trẻ lập dị trong dàn nhạc đã tham gia nhóm nghiên cứu của Spiropulu với tư cách là sinh viên đại học Caltech. Là một lập trình viên tài năng, Zlokapa đã ánh xạ các tương tác hạt của mô hình SYK lên các kết nối giữa các nơ-ron của mạng nơ-ron và huấn luyện hệ thống xóa càng nhiều kết nối mạng càng tốt trong khi vẫn giữ được chữ ký lỗ sâu chính. Quy trình này đã giảm số lượng tương tác bốn chiều từ hàng trăm xuống còn năm.

Cùng với đó, nhóm bắt đầu lập trình các qubit của Sycamore. Bảy qubit mã hóa 14 hạt vật chất — bảy qubit mỗi hạt trong hệ thống SYK bên trái và bên phải, trong đó mọi hạt bên trái bị vướng víu với một bên phải. Một qubit thứ tám, trong một số kết hợp xác suất của trạng thái 0 và 1, sau đó được hoán đổi với một trong các hạt từ mô hình SYK bên trái. Các trạng thái có thể có của qubit đó nhanh chóng bị rối với trạng thái của các hạt khác ở bên trái, truyền thông tin của nó đồng đều giữa chúng giống như một giọt mực trong nước. Đây là hình ba chiều đối với qubit đi vào miệng bên trái của lỗ sâu một chiều trong không gian AdS.

Sau đó là vòng quay lớn của tất cả các qubit, song song với một xung năng lượng âm chạy qua lỗ sâu đục. Vòng quay làm cho qubit được tiêm chuyển sang các hạt của mô hình SYK bên tay phải. Sau đó, thông tin không lan truyền, Preskill nói, “giống như sự hỗn loạn chạy ngược lại,” và tập trung lại tại vị trí của một hạt duy nhất ở bên phải — đối tác vướng víu của hạt bên trái đã bị tráo đổi. Sau đó, tất cả các trạng thái của qubit đều được đo lường. Việc kiểm đếm các số 0 và 1 trong nhiều lần chạy thử nghiệm và so sánh các số liệu thống kê này với trạng thái chuẩn bị của các qubit được đưa vào sẽ cho biết liệu các qubit có đang dịch chuyển tức thời hay không.

Các nhà nghiên cứu tìm kiếm một điểm cực đại trong dữ liệu thể hiện sự khác biệt giữa hai trường hợp: Nếu họ nhìn thấy điểm cực đại, điều đó có nghĩa là các phép quay của qubit đối ngẫu với các xung năng lượng âm đang cho phép các qubit dịch chuyển tức thời, trong khi các phép quay theo hướng ngược lại là song song với các xung năng lượng dương, bình thường, không cho qubit đi qua. (Thay vào đó, chúng khiến lỗ sâu đóng lại.)

Vào một đêm muộn của tháng Giêng, sau hai năm cải thiện dần dần và nỗ lực giảm tiếng ồn, Zlokapa đã điều hành giao thức đã hoàn thành trên Sycamore từ xa từ phòng ngủ thời thơ ấu của mình ở Khu vực Vịnh San Francisco, nơi anh đang nghỉ đông sau học kỳ đầu tiên ở trường trung học. .

Đỉnh cao xuất hiện trên màn hình máy tính của anh ấy.

“Nó cứ ngày càng sắc nét hơn,” anh nói. “Tôi đang gửi ảnh chụp màn hình của đỉnh cho Maria và rất phấn khích, viết, 'Tôi nghĩ bây giờ chúng ta nhìn thấy một lỗ sâu đục.'” Đỉnh là “dấu hiệu đầu tiên cho thấy bạn có thể nhìn thấy lực hấp dẫn trên máy tính lượng tử.”

Spiropulu nói rằng cô ấy khó có thể tin vào đỉnh núi rõ ràng mà cô ấy đang nhìn thấy. “Nó rất giống với khi tôi nhìn thấy dữ liệu đầu tiên về khám phá hạt Higgs,” cô nói. “Không phải vì tôi không mong đợi điều đó, nhưng nó đã giáng vào mặt tôi quá nhiều.”

Đáng ngạc nhiên, bất chấp cấu trúc đơn giản của lỗ sâu đục, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra dấu hiệu thứ hai của động lực học lỗ sâu đục, một mô hình tinh vi trong cách thông tin lan truyền và không lan truyền giữa các qubit được gọi là “cuộn dây theo kích thước”. Họ đã không huấn luyện mạng lưới thần kinh của mình để bảo toàn tín hiệu này vì nó làm thưa thớt mô hình SYK, vì vậy thực tế là cuộn dây kích thước xuất hiện dù sao cũng là một khám phá thử nghiệm về hình ba chiều.

Jafferis nói: “Chúng tôi không yêu cầu bất cứ điều gì về tài sản quanh co có kích thước này, nhưng chúng tôi thấy rằng nó vừa xuất hiện. Ông nói, điều này “đã khẳng định tính bền vững” của tính đối ngẫu ba chiều. “Làm cho một [thuộc tính] xuất hiện, sau đó bạn nhận được tất cả phần còn lại, đó là một loại bằng chứng cho thấy bức tranh hấp dẫn này là bức tranh chính xác.”

Ý nghĩa của lỗ giun

Jafferis, người chưa bao giờ mong đợi trở thành một phần của thí nghiệm lỗ sâu đục (hoặc bất kỳ thí nghiệm nào khác), cho rằng một trong những điều quan trọng nhất là thí nghiệm nói gì về cơ học lượng tử. Các hiện tượng lượng tử như vướng víu thường mờ đục và trừu tượng; chẳng hạn, chúng ta không biết cách đo hạt A xác định trạng thái của B từ xa. Nhưng trong thí nghiệm mới, một hiện tượng lượng tử không thể diễn tả được – thông tin dịch chuyển tức thời giữa các hạt – có một cách giải thích hữu hình khi một hạt nhận được một cú hích năng lượng và di chuyển với tốc độ có thể tính toán được từ A đến B. “Dường như có một câu chuyện hay từ điểm này tầm nhìn của qubit; nó di chuyển theo quan hệ nhân quả,” Jafferis nói. Có thể một quá trình lượng tử như dịch chuyển tức thời “luôn có lực hấp dẫn đối với qubit đó. Nếu thứ gì đó tương tự có thể xuất hiện từ thí nghiệm này và các thí nghiệm liên quan khác, thì điều đó chắc chắn sẽ cho chúng ta biết điều gì đó sâu sắc về vũ trụ của chúng ta.”

Susskind, người đã sớm xem xét các kết quả ngày hôm nay, cho biết ông hy vọng rằng các thí nghiệm lỗ sâu đục trong tương lai liên quan đến nhiều qubit hơn có thể được sử dụng để khám phá bên trong lỗ sâu đục như một cách nghiên cứu các tính chất lượng tử của lực hấp dẫn. Ông nói: “Bằng cách đo lường những gì đã đi qua, bạn có thể thẩm vấn nó và xem bên trong có gì. “Đối với tôi, đó có vẻ là một cách thú vị để đi.”

Một số nhà vật lý sẽ nói rằng thí nghiệm không cho chúng ta biết gì về vũ trụ của chúng ta, vì nó nhận ra tính hai mặt giữa cơ học lượng tử và không gian phản de Sitter, điều mà vũ trụ của chúng ta không có.

Trong 25 năm kể từ khi Maldacena phát hiện ra sự tương ứng AdS/CFT, các nhà vật lý đã tìm kiếm một đối ngẫu ba chiều tương tự cho không gian de Sitter — một bản đồ đi từ một hệ lượng tử đến vũ trụ de Sitter đang mở rộng, được cung cấp năng lượng tích cực mà chúng ta đang sống. chậm hơn nhiều so với AdS, khiến một số người nghi ngờ liệu không gian de Sitter có phải là hình ba chiều hay không. “Những câu hỏi như 'Làm thế nào để cái này hoạt động trong trường hợp vật lý hơn của dS?' Woit, một nhà phê bình nghiên cứu AdS/CFT, cho biết không phải là mới nhưng rất cũ và là chủ đề của hàng chục nghìn người trong nhiều năm nỗ lực không thành công. “Điều cần thiết là một số ý tưởng khá khác biệt.”

Các nhà phê bình cho rằng hai loại không gian khác nhau về mặt phân loại: AdS có ranh giới bên ngoài và không gian dS thì không, vì vậy không có quá trình chuyển đổi toán học suôn sẻ nào có thể biến cái này thành cái kia. Và ranh giới cứng của không gian AdS chính là thứ làm cho ảnh ba chiều trở nên dễ dàng trong cài đặt đó, cung cấp bề mặt lượng tử để chiếu không gian từ đó. Để so sánh, trong vũ trụ de Sitter của chúng ta, ranh giới duy nhất là nơi xa nhất chúng ta có thể nhìn thấy và tương lai vô tận. Đây là những bề mặt mờ để thử chiếu một hình ba chiều không-thời gian.

Đổi tên Loll, một nhà lý thuyết hấp dẫn lượng tử nổi tiếng tại Đại học Radboud ở Hà Lan, cũng nhấn mạnh rằng thí nghiệm lỗ sâu đục liên quan đến không-thời gian 2D — lỗ sâu đục là một sợi dây tóc, với một chiều không gian cộng với chiều thời gian — trong khi lực hấp dẫn phức tạp hơn trong không gian 4D- thời gian mà chúng ta thực sự đang sống. “Thật là hấp dẫn khi bị vướng vào sự phức tạp của các mô hình đồ chơi 2D,” cô ấy nói qua email, “trong khi đánh mất những thách thức khác nhau và lớn hơn đang chờ đợi chúng ta trong lực hấp dẫn lượng tử 4D. Đối với lý thuyết đó, tôi không thể thấy các máy tính lượng tử với khả năng hiện tại của chúng có thể giúp ích nhiều như thế nào… nhưng tôi sẽ rất vui khi được sửa sai.”

Hầu hết các nhà nghiên cứu về lực hấp dẫn lượng tử tin rằng đây đều là những vấn đề khó nhưng có thể giải quyết được — rằng mô hình vướng víu dệt nên không gian 4D de Sitter phức tạp hơn so với 2D AdS, nhưng chúng ta vẫn có thể rút ra những bài học chung bằng cách nghiên cứu hình ba chiều trong các cài đặt đơn giản hơn. Trại này có xu hướng xem hai loại không gian, dS và AdS, giống nhau hơn là khác nhau. Cả hai đều là nghiệm của thuyết tương đối của Einstein, chỉ khác nhau một dấu trừ. Cả hai vũ trụ dS và AdS đều chứa các lỗ đen bị ảnh hưởng bởi những nghịch lý giống nhau. Và khi bạn ở sâu trong không gian AdS, cách xa bức tường bên ngoài của nó, bạn khó có thể phân biệt được môi trường xung quanh mình với de Sitter.

Tuy nhiên, Susskind đồng ý rằng đã đến lúc phải thành hiện thực. “Tôi nghĩ đã đến lúc chúng ta thoát ra khỏi lớp bảo vệ của không gian AdS và mở ra thế giới có thể liên quan nhiều hơn đến vũ trụ học,” anh nói. “Không gian De Sitter là một con thú khác.”

Cuối cùng, Susskind có một ý tưởng mới. Trong một bản in trước được đăng trực tuyến vào tháng XNUMX, anh ấy đề xuất rằng không gian de Sitter có thể là hình ba chiều của một phiên bản khác của mô hình SYK - không phải là phiên bản có tương tác hạt bốn chiều, mà là phiên bản trong đó số lượng hạt tham gia vào mỗi tương tác tăng lên khi hình vuông căn của tổng số hạt. Ông nói: “Giới hạn tỷ lệ kép” này của mô hình SYK “hoạt động giống de Sitter hơn là AdS”. “Còn lâu mới có bằng chứng, nhưng có bằng chứng gián tiếp.”

Một hệ thống lượng tử như vậy phức tạp hơn hệ thống được lập trình cho đến nay và “liệu ​​giới hạn đó có phải là thứ sẽ được hiện thực hóa trong phòng thí nghiệm hay không thì tôi không biết,” Susskind nói. Điều có vẻ chắc chắn là, giờ đây đã có một lỗ sâu ba chiều, nhiều lỗ sâu hơn nữa sẽ mở ra.