16:05 2022-11-30
science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu
_ Fizicienii observă dinamica găurii de vierme folosind un computer cuantic
_ Fizicienii observă dinamica găurilor de vierme folosind o computer cuantic
Oamenii de știință au dezvoltat, pentru prima dată, un experiment cuantic care le permite să studieze dinamica sau comportamentul unui tip special de găuri de vierme teoretice. Experimentul nu a creat o gaură de vierme reală (o ruptură în spațiu și timp), mai degrabă le permite cercetătorilor să cerceteze conexiunile dintre găurile de vierme teoretice și fizica cuantică, o predicție a așa-numitei gravitații cuantice. Gravitația cuantică se referă la un set de teorii care încearcă să conecteze gravitația cu fizica cuantică, două descrieri fundamentale și bine studiate ale naturii care par inerent incompatibile una cu cealaltă.
„Am găsit un sistem cuantic care prezintă cheie. proprietățile unei găuri de vierme gravitaționale, dar este suficient de mică pentru a fi implementată pe hardware-ul cuantic de astăzi”, spune Maria Spiropulu, cercetătorul principal al programului de cercetare al Departamentului de Energie al Biroului pentru Știință al Statelor Unite, Quantum Communication Channels for Fundamental Physics (QCCFP) și Shang-Yi Ch. 'ro Profesor de fizică la Caltech. „Această lucrare constituie un pas către un program mai amplu de testare a fizicii gravitației cuantice folosind un computer cuantic. Ea nu înlocuiește sondele directe ale gravitației cuantice în același mod ca alte experimente planificate care ar putea sonda efectele gravitației cuantice în viitor, folosind senzorul cuantic. , dar oferă un banc de testare puternic pentru a exercita ideile gravitației cuantice.”
Cercetarea va fi publicată pe 1 decembrie în revista Nature. Primii autori ai studiului sunt Daniel Jafferis de la Universitatea Harvard și Alexander Zlokapa (BS '21), un fost student la Caltech, care a început acest proiect pentru teza de licență cu Spiropulu și de atunci a trecut la școala absolventă la MIT.
Găurile de vierme sunt punți între două regiuni îndepărtate din spațiu-timp. Ele nu au fost observate experimental, dar oamenii de știință au teoretizat despre existența și proprietățile lor de aproape 100 de ani. În 1935, Albert Einstein și Nathan Rosen au descris găurile de vierme ca tuneluri prin țesătura spațiu-timpului, în conformitate cu teoria generală a relativității a lui Einstein, care descrie gravitația ca o curbură a spațiu-timpului. Cercetătorii numesc găurile de vierme poduri Einstein–Rosen după cei doi fizicieni care le-au invocat, în timp ce termenul „găură de vierme” în sine a fost inventat de fizicianul John Wheeler în anii 1950.
Noțiunea că găurile de vierme și fizica cuantică, în special încheiere ( un fenomen în care două particule pot rămâne conectate pe distanțe mari), ar putea avea o legătură a fost propus pentru prima dată în cercetările teoretice de către Juan Maldacena și Leonard Susskind în 2013. Fizicienii au speculat că găurile de vierme (sau „ER”) erau echivalente cu încurcarea (de asemenea cunoscut sub numele de „EPR” după Albert Einstein, Boris Podolsky [Ph.D. '28] și Nathan Rosen, care a propus primul concept). În esență, această lucrare a stabilit un nou tip de legătură teoretică între lumile gravitației și fizica cuantică. „A fost o idee foarte îndrăzneață și poetică”, spune Spiropulu de la lucrarea ER = EPR.
Mai târziu, în 2017, Jafferis, împreună cu colegii săi Ping Gao și Aron Wall, au extins ideea ER = EPR. la nu doar găuri de vierme, ci și găuri de vierme traversabile. Oamenii de știință au inventat un scenariu în care energia respingătoare negativă ține o gaură de vierme deschisă suficient de mult pentru ca ceva să treacă de la un capăt la altul. Cercetătorii au arătat că această descriere gravitațională a unei găuri de vierme traversabile este echivalentă cu un proces cunoscut sub numele de teleportare cuantică. În teleportarea cuantică, un protocol care a fost demonstrat experimental pe distanțe lungi prin fibră optică și prin aer, informațiile sunt transportate în spațiu folosind principiile întanglementării cuantice.
Prezenta lucrare explorează echivalența găurilor de vierme cu teleportarea cuantică. Echipa condusă de Caltech a efectuat primele experimente care cercetează ideea că informațiile care călătoresc dintr-un punct în spațiu în altul pot fi descrise fie în limbajul gravitației (găurile de vierme), fie în limbajul fizicii cuantice (întanglement cuantic).
O descoperire cheie care a inspirat posibile experimente a avut loc în 2015, când Alexei Kitaev de la Caltech, profesorul Ronald și Maxine Linde de fizică teoretică și matematică, a arătat că un sistem cuantic simplu ar putea prezenta aceeași dualitate descrisă mai târziu de Gao, Jafferis. și Wall, astfel încât dinamica cuantică a modelului este echivalentă cu efectele gravitației cuantice. Acest model Sachdev–Ye–Kitaev, sau SYK (numit după Kitaev, și Subir Sachdev și Jinwu Ye, alți doi cercetători care au lucrat anterior la dezvoltarea lui) i-a determinat pe cercetători să sugereze că unele idei teoretice de găuri de vierme ar putea fi studiate mai profund făcând experimente pe procesoare cuantice.
Suplimentând aceste idei, în 2019, Jafferis și Gao au arătat că prin încurcarea a două modele SYK, cercetătorii ar trebui să fie capabili să efectueze teleportarea găurilor de vierme și astfel să producă și să măsoare proprietățile dinamice așteptate ale găurilor de vierme traversabile.< /p>
În noul studiu, echipa de fizicieni a efectuat pentru prima dată acest tip de experiment. Ei au folosit un model asemănător SYK „bebe”, pregătit pentru a păstra proprietățile gravitaționale și au observat dinamica găurii de vierme pe un dispozitiv cuantic de la Google, și anume procesorul cuantic Sycamore. Pentru a realiza acest lucru, echipa a trebuit mai întâi să reducă modelul SYK la o formă simplificată, o performanță pe care a realizat-o folosind instrumente de învățare automată pe computere convenționale.
„Am folosit tehnici de învățare pentru a găsi și pregăti un SYK- ca un sistem cuantic care ar putea fi codificat în arhitecturile cuantice actuale și care ar păstra proprietățile gravitaționale”, spune Spiropulu. „Cu alte cuvinte, am simplificat descrierea microscopică a sistemului cuantic SYK și am studiat modelul eficient rezultat pe care l-am găsit pe procesorul cuantic. Este curios și surprinzător cum optimizarea pe o caracteristică a modelului a păstrat celelalte metrici! Avem planifică mai multe teste pentru a obține informații mai bune despre modelul în sine.”
În experiment, cercetătorii au introdus un qubit – echivalentul cuantic al unui bit în computerele convenționale pe bază de siliciu – într-unul dintre SYK- ca sistemele și a observat că informația iese din celălalt sistem. Informația a călătorit de la un sistem cuantic la altul prin teleportare cuantică sau, vorbind în limbajul complementar al gravitației, informația cuantică a trecut prin gaura de vierme traversabilă.
„Am efectuat un fel de teleportare cuantică echivalentă cu o gaură de vierme traversabilă în imaginea gravitațională. Pentru a face acest lucru, a trebuit să simplificăm sistemul cuantic la cel mai mic exemplu care păstrează caracteristicile gravitaționale, astfel încât să-l putem implementa pe procesorul cuantic Sycamore de la Google", spune Zlokapa.
Co-autorul Samantha Davis, studentă absolventă la Caltech, adaugă: „A durat foarte mult până ajungem la rezultate și ne-am surprins cu rezultatul.”
„Semnificația pe termen scurt Acest tip de experiment este că perspectiva gravitațională oferă o modalitate simplă de a înțelege un fenomen cuantic cu mai multe particule, altfel misterios”, spune John Preskill, profesor de fizică teoretică Richard P. Feynman la Caltech și director al Insti. tute for Quantum Information and Matter (IQIM). „Ceea ce mi s-a părut interesant la acest nou experiment Google este că, prin învățarea automată, au reușit să facă sistemul suficient de simplu pentru a fi simulat pe o mașină cuantică existentă, păstrând în același timp o caricatură rezonabilă a ceea ce prezice imaginea gravitației”.
În studiu, fizicienii raportează comportamentul găurii de vierme așteptat atât din perspectiva gravitației, cât și din fizica cuantică. De exemplu, în timp ce informațiile cuantice pot fi transmise prin dispozitiv sau teleportate, într-o varietate de moduri, procesul experimental s-a dovedit a fi echivalent, cel puțin în anumite privințe, cu ceea ce s-ar putea întâmpla dacă informațiile ar călători printr-o gaură de vierme. Pentru a face acest lucru, echipa a încercat să „deschidă gaura de vierme” folosind impulsuri fie de energie respingătoare negativă, fie de energie pozitivă opusă. Ei au observat semnăturile cheie ale unei găuri de vierme traversabile numai atunci când a fost aplicat echivalentul energiei negative, ceea ce este în concordanță cu modul în care se așteaptă să se comporte găurile de vierme.
„Fidelitatea înaltă a procesorului cuantic pe care l-am folosit a fost esențială.” spune Spiropulu. "Dacă ratele de eroare ar fi fost mai mari cu 50 la sută, semnalul ar fi fost complet ascuns. Dacă ar fi fost la jumătate, am avea de 10 ori semnalul!"
În viitor, cercetătorii speră să extindă această activitate. la circuite cuantice mai complexe. Deși computerele cuantice autentice ar putea fi încă la câțiva ani distanță, echipa intenționează să continue să efectueze experimente de această natură pe platformele de calcul cuantic existente.
„Relația dintre întricarea cuantică, spațiu-timp și gravitația cuantică este una dintre cele mai importante întrebări din fizica fundamentală și o zonă activă de cercetare teoretică”, spune Spiropulu. „Suntem încântați să facem acest mic pas spre testarea acestor idei pe hardware-ul cuantic și vom continua.”
Studiul se intitulează „Dinamica găurii de vierme traversabile pe un procesor cuantic”. Alți autori includ: Joseph Lykken de la Fermilab; David Kolchmeyer, anterior la Harvard și acum postdoc la MIT; Nikolai Lauk, fost post-doctorat la Caltech; și Hartmut Neven de la Google.
Comentarii:
Adauga Comentariu