Ученые использовали квантовый компьютер для моделирования первой в мире голографической червоточины и передачи информации через нее. Насколько хорошо у них получилось и как эксперимент примерил гравитацию и квантовый мир — в материале «Хайтек».
Ученые создали «детскую» червоточину, используя квантовый компьютер Google Sycamore 2. В эксперименте они использовали не гравитацию, а квантовую запутанность. Запутав кубиты (или квантовые биты) в крохотных сверхпроводящих цепях, физики создали портал, через который передавалась информация. Эксперимент может подтвердить гипотезу о том, что наша Вселенная — это голограмма, сшитая воедино квантовой информацией. Исследователи опубликовали свои выводы и подробности об эксперименте в журнале Nature.
Новое исследование — это первый шаг к исследованию квантовой гравитации в лаборатории. Когда ученые увидели данные, у них случилась «паническая атака», настолько он впечатляющий, пишут авторы работы. И вот почему.
Как создать «квантовую червоточину»?
Червоточины или кротовые норы — это гипотетические туннели в пространстве-времени, соединенные черными дырами (ЧД) на обоих концах. В природе их огромная гравитация обеспечивает условия для появления червоточины, но та, которую смоделировали в новом в эксперименте, немного отличается. По сути, это «игрушечная» модель, основанная на квантовой телепортации, которая имитирует две черные дыры для отправки информации через портал.
Гравитация и квантовый мир исторически считаются противоположными, разными процессами. Но, по мнению исследователей, это не совсем так. Согласно голографическому принципу, теорию гравитации, которая не работает вокруг сингулярностей черных дыр, можно объяснить квантовыми законами. Таким образом, новый эксперимент, кроме всего прочего, меняет физику, связывая общую теорию относительности (ОТО) и квантовую механику.
Предсказания Эйнштейна
Идею червоточин впервые предложили Альберт Эйнштейн и его коллега Натан Розен в 1935 году. Тогда они предположили, что в рамках ОТО черные дыры могут соединяться мостами, которые работают как «портал». Эта теория — попытка предложить альтернативное объяснение точкам сингулярности в пространстве — ядрах черных дыр. Там масса бесконечно сконцентрируется в одной точке, создавая настолько мощное гравитационное поле, что пространство-время искажается до бесконечности, разрушая уравнения Эйнштейна. Однако, если это «поведение» ЧД приводит к образованию кротовых нор, то ОТО верна, рассуждали ученые.
Червоточина, которая искажает пространство-время. Источник: Needpix.com
При этом, за месяц до публикации знаменитой статьи 1935 года Эйнштейн, Розен и их коллега Борис Подольский провели другое исследование. Тогда они сделали предсказали, которое отличалось от их более поздней работы по ОТО. Оно не поддерживало квантовую теорию, а дискредитировало ее «нелепые выводы».
Будь правила квантовой механики верны, свойства двух частиц должны быть неразрывно связаны, подчеркивали ученые. Измерение одной мгновенно повлияло бы на другую, даже если они разделены огромным расстоянием. Эйнштейн высмеивал этот процесс, а сегодня он известен как квантовая запутанность. Ученый называл его «призрачным действием на расстоянии», намекая на его нереальность. Однако с тех пор его наблюдали и не раз использовали физики.
Главная ошибка ученого
Несмотря на то, что Эйнштейн сделал эти два новаторских предсказания, его неприязнь к квантовой физике неопределенности и странности ослепила его. В итоге, он не сделал жизненно важное открытие: ОТО и квантовая физика могут быть связаны, как и два его предположения. Разделив общую теорию относительности и квантовую теорию, физики не изучили важную область науки, в которой сталкиваются гравитация и квантовые эффекты. В итоге, мы так и не знаем, что скрывается внутри черных дыр и бесконечно малой точке, в которой сосредоточилась Вселенная в момент Большого взрыва.
Голографический принцип
С тех пор как Эйнштейн зашел в тупик, ученые пытались создать «теорию всего» — объединить относительность и квантовый мир. В процессе физики создали много очень необычных теорий, одна из них — голографический принцип. Согласно нему, Вселенная является трехмерной голографической проекцией процессов, которые происходят на удаленной двумерной поверхности.
Идея зародилась в работе Стивена Хокинга 1970-х годов. Тогда он сформулировал очевидный парадокс: если черные дыры действительно испускают излучение Хокинга (виртуальные частицы, случайным образом возникающие вблизи горизонта событий), они, в конечном итоге, испаряются. Это нарушает основное правило квантовой механики, что информацию нельзя уничтожить. Теперь ОТО и квантовая механика уже не просто казались непримиримыми; несмотря на множество невероятно точных предсказаний, они могли быть в корне неверными.
Чтобы решить эту проблему, сторонники теории струн, которые примиряли квантовый мир и ОТО, постулировали: информация в черной дыре связана с двумерной поверхностью ее горизонта событий (точки, за пределы которой не может выйти даже свет из-за сверхгравитации). Физики считали, что информация о звезде, сколлапсировавшей в черную дыру, вплетена в флуктуации на поверхности этого горизонта, прежде чем была закодирована в излучении Хокинга и отправлена до испарения ЧД.
В 1990-х годах физики-теоретики Леонард Сасскинд и Джерард Хофт поняли, что эту идею надо развить (в честь Сасскинда развали одного из героев ситкома «Теория Большого взрыва»). Если представить всю информацию о трехмерной звезде на двухмерном горизонте событий, то Вселенная (у которой тоже есть собственный расширяющийся горизонт), тоже является трехмерной проекцией двумерной информации — голограммой.
Представление художника об информационном портале. Фото: Needpix.com
С этой точки зрения, две разрозненные теории — на самом деле, единое целое. Гравитационное искривление пространства-времени, как и все остальное, что мы видим, — голографическая проекция. Она появилась в результате мельчайших взаимодействий квантовых частиц на низкомерной поверхности отдаленного горизонта.
Проверка идеи
Чтобы проверить эти идеи, физики использовали компьютер Google Sycamore 2. Они загрузили в него базовую модель простой голографической вселенной, которая содержала две квантово запутанные черные дыры на каждом конце. После кодирования входного сообщения в первый кубит ученые наблюдали, как оно превратилось в тарабарщину (будто его проглотила первая дыра). А затем, оно вылетело в нешифрованном и неповрежденном виде на другом конце, как если бы его «выплюнула» вторая ЧД.
Что дальше?
Самое удивительное в эксперименте с червоточиной заключается не в том, что сообщение прошло в той или иной форме. Важно, что оно появилось совершенно неповрежденным. Фактически, модель вела себя как физическая червоточина: эксперимент показал, что она может питаться за счет квантовой запутанности.
При этом, информация прошла через крошечный разрыв. Он всего в несколько раз превышал самое короткое мыслимое расстояние в природе — планковскую длину. В будущем ученые разработают более сложные эксперименты и выполнят их на более совершенном оборудовании. Цель — отправлять сообщения на большие расстояния.
Что в итоге?
Аналоги черной дыры в квантовом компьютере — это не всепоглощающие монстры, скрывающиеся в космосе. Ученые не уверены, удалось ли им смоделировать ЧД достаточно точно и они назвали эти квантовые компьютерные разломы «эмерджентными» черными дырами. Однако физики отметили, что они «выглядят как утки, ходят как утки, и крякают как утки». Похоже, это действительно «утки».
Масштабного теоретического «скачка» от того, чтобы отправлять через червоточину вместо информации что-то физическое, например, субатомную частицу, не требуется. Однако физики подчеркивают, что для создания настоящей мини-черной дыры потребуется гораздо большая плотность кубитов. Экспериментально это сделать очень сложно. Предстоит еще много работы, перед тем, как отправить собаку Лайку в кротовую нору, как однажды в космос.
Источник: hightech.fm
