Fizycy obserwują dynamikę tunelu czasoprzestrzennego

Naukowcy po raz pierwszy opracowali eksperyment kwantowy, który pozwala im badać dynamikę lub zachowanie specjalnego rodzaju teoretycznego tunelu czasoprzestrzennego. Eksperyment nie stworzył rzeczywistego tunelu czasoprzestrzennego, ale pozwolił badaczom na zbadanie powiązań między teoretycznymi tunelami czasoprzestrzennymi a fizyką kwantową, przewidywaniami tzw. kwantowej grawitacji. Grawitacja kwantowa odnosi się do zestawu teorii, które starają się połączyć grawitację z fizyką kwantową, dwoma fundamentalnymi i dobrze zbadanymi opisami natury, które wydają się z natury niezgodne ze sobą.

„Znaleźliśmy system kwantowy, który wykazuje kluczowe właściwości grawitacyjnego wormhole’a, a jednocześnie jest wystarczająco mały, aby zaimplementować go na dzisiejszym sprzęcie kwantowym” – mówi Maria Spiropulu, główny badacz programu badawczego Departamentu Energii USA Office of Science Quantum Communication Channels for Fundamental Physics (QCCFP) i profesor fizyki Shang-Yi Ch’en w Caltech. „Praca ta stanowi krok w kierunku większego programu badania fizyki kwantowej grawitacji przy użyciu komputera kwantowego. Nie zastępuje ona bezpośrednich sond kwantowej grawitacji w taki sam sposób jak inne planowane eksperymenty, które mogą w przyszłości badać efekty kwantowej grawitacji przy użyciu czujników kwantowych, ale oferuje potężne pole testowe do ćwiczenia idei kwantowej grawitacji.”

Badania zostaną opublikowane 1 grudnia w czasopiśmie Nature. Pierwszymi autorami badania są Daniel Jafferis z Uniwersytetu Harvarda i Alexander Zlokapa (BS ’21), były student studiów licencjackich w Caltech, który rozpoczął pracę nad tym projektem w ramach pracy licencjackiej ze Spiropulu i od tego czasu przeniósł się na studia magisterskie w MIT.

Dziury czasoprzestrzenne to mosty pomiędzy dwoma odległymi regionami w czasoprzestrzeni. Nie zostały one zaobserwowane eksperymentalnie, ale naukowcy teoretyzowali o ich istnieniu i właściwościach od blisko 100 lat. W 1935 r. Albert Einstein i Nathan Rosen opisali dziury czasoprzestrzenne jako tunele w tkance czasoprzestrzeni, zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina, która opisuje grawitację jako zakrzywienie czasoprzestrzeni. Naukowcy nazywają tunele czasoprzestrzenne mostami Einsteina-Rosena od nazwiska dwóch fizyków, którzy się na nie powoływali, podczas gdy sam termin „tunel czasoprzestrzenny” został stworzony przez fizyka Johna Wheelera w latach 50-tych.

Koncepcja, że tunele czasoprzestrzenne i fizyka kwantowa, a konkretnie splątanie (zjawisko, w którym dwie cząstki mogą pozostać połączone na ogromne odległości), mogą mieć związek, została po raz pierwszy zaproponowana w badaniach teoretycznych przez Juana Maldacenę i Leonarda Susskinda w 2013 roku. Fizycy spekulowali, że tunele czasoprzestrzenne (lub „ER”) są odpowiednikiem splątania (znanego również jako „EPR” po Albercie Einsteinie, Borysie Podolskim [PhD ’28] i Nathanie Rosenie, który po raz pierwszy zaproponował tę koncepcję). W istocie, praca ta ustanowiła nowy rodzaj teoretycznego połączenia między światem grawitacji i fizyki kwantowej. „To był bardzo śmiały i poetycki pomysł” – mówi Spiropulu o pracy ER = EPR.

Później, w 2017 roku, Jafferis, wraz z kolegami Ping Gao i Aronem Wallem, rozszerzył pomysł ER = EPR nie tylko na tunele czasoprzestrzenne, ale traversable wormholes. Naukowcy wymyślili scenariusz, w którym negatywna energia odpychająca utrzymuje tunel czasoprzestrzenny otwarty wystarczająco długo, aby coś mogło przejść przez niego z jednego końca na drugi. Naukowcy wykazali, że ten grawitacyjny opis przemierzalnego tunelu czasoprzestrzennego jest równoważny procesowi znanemu jako teleportacja kwantowa. W teleportacji kwantowej, protokole, który został eksperymentalnie zademonstrowany na duże odległości przez światłowód i drogą powietrzną, informacje są transportowane przez przestrzeń z wykorzystaniem zasad splątania kwantowego.

W niniejszej pracy badamy równoważność tuneli czasoprzestrzennych z teleportacją kwantową. Zespół kierowany przez Caltech przeprowadził pierwsze eksperymenty, które badają ideę, że informacje podróżujące z jednego punktu w przestrzeni do drugiego mogą być opisane albo w języku grawitacji (tunele czasoprzestrzenne) albo w języku fizyki kwantowej (splątanie kwantowe).

Kluczowe odkrycie, które zainspirowało możliwe eksperymenty, miało miejsce w 2015 roku, kiedy to Alexei Kitaev z Caltech, Ronald and Maxine Linde Professor of Theoretical Physics and Mathematics, pokazał, że prosty system kwantowy może wykazywać tę samą dwoistość opisaną później przez Gao, Jafferisa i Walla, taką, że dynamika kwantowa modelu jest równoważna efektom kwantowej grawitacji. Ten model Sachdev-Ye-Kitaev, lub SYK (nazwany na cześć Kitaeva, oraz Subir Sachdev i Jinwu Ye, dwóch innych badaczy, którzy pracowali nad jego rozwojem wcześniej) doprowadził badaczy do zasugerowania, że niektóre teoretyczne idee wormhole mogą być badane głębiej poprzez wykonywanie eksperymentów na procesorach kwantowych.

Kontynuując te pomysły, w 2019 roku Jafferis i Gao pokazali, że poprzez splątanie dwóch modeli SYK, badacze powinni być w stanie przeprowadzić teleportację wormhole, a tym samym wytworzyć i zmierzyć właściwości dynamiczne oczekiwane od traversable wormholes.

W nowym badaniu zespół fizyków po raz pierwszy przeprowadził tego typu eksperyment. Użyli oni „dziecięcego” modelu SYK, przygotowanego tak, by zachować właściwości grawitacyjne, i obserwowali dynamikę tunelu czasoprzestrzennego na urządzeniu kwantowym firmy Google, a mianowicie na procesorze kwantowym Sycamore. Aby tego dokonać, zespół musiał najpierw zredukować model SYK do uproszczonej formy, co udało im się osiągnąć za pomocą narzędzi uczenia maszynowego na konwencjonalnych komputerach.

„Zastosowaliśmy techniki uczenia, aby znaleźć i przygotować prosty system kwantowy podobny do SYK, który mógłby być zakodowany w obecnych architekturach kwantowych i który zachowałby właściwości grawitacyjne” – mówi Spiropulu. „Innymi słowy, uprościliśmy mikroskopowy opis układu kwantowego SYK i zbadaliśmy wynikowy model efektywny, który znaleźliśmy na procesorze kwantowym. Ciekawe i zaskakujące jest to, jak optymalizacja na jednej charakterystyce modelu zachowała pozostałe metryki! Mamy w planach kolejne testy, aby lepiej poznać sam model.”

W eksperymencie badacze włożyli qubit — kwantowy odpowiednik bitu w konwencjonalnych komputerach opartych na krzemie — do jednego z ich systemów SYK-like i obserwowali, jak informacja wyłania się z drugiego systemu. Informacja podróżowała z jednego systemu kwantowego do drugiego poprzez teleportację kwantową — lub, mówiąc w komplementarnym języku grawitacji, informacja kwantowa przeszła przez traversable wormhole.

„Przeprowadziliśmy rodzaj kwantowej teleportacji równoważnej traversable wormhole w obrazie grawitacyjnym. Aby to zrobić, musieliśmy uprościć system kwantowy do najmniejszego przykładu zachowującego właściwości grawitacyjne, tak abyśmy mogli go zaimplementować na procesorze kwantowym Sycamore w Google” – mówi Zlokapa.

Współautorka Samantha Davis, studentka studiów magisterskich w Caltech, dodaje: „Dojście do wyników zajęło naprawdę dużo czasu, a my sami zaskoczyliśmy się rezultatem.”

„Niedalekie znaczenie tego typu eksperymentu polega na tym, że perspektywa grawitacyjna zapewnia prosty sposób na zrozumienie skądinąd tajemniczego, wielocząstkowego zjawiska kwantowego” – mówi John Preskill, Richard P. Feynman Professor of Theoretical Physics w Caltech i dyrektor Institute for Quantum Information and Matter (IQIM). „To, co uznałem za interesujące w tym nowym eksperymencie Google’a, to fakt, że poprzez uczenie maszynowe byli oni w stanie uczynić system na tyle prostym, aby symulować go na istniejącej maszynie kwantowej, zachowując jednocześnie rozsądną karykaturę tego, co przewiduje obraz grawitacji”.

W badaniu fizycy donoszą o zachowaniu robaków oczekiwanym zarówno z perspektywy grawitacji jak i fizyki kwantowej. Na przykład, podczas gdy informacje kwantowe mogą być przesyłane przez urządzenie, lub teleportowane, na różne sposoby, wykazano, że proces eksperymentalny jest równoważny, przynajmniej pod pewnymi względami, temu, co mogłoby się stać, gdyby informacje podróżowały przez tunel czasoprzestrzenny. Aby tego dokonać, zespół próbował „otworzyć tunel czasoprzestrzenny” za pomocą impulsów negatywnej energii odpychającej lub przeciwnej, pozytywnej. Zaobserwowali kluczowe sygnatury przemierzalnego tunelu czasoprzestrzennego tylko wtedy, gdy zastosowano odpowiednik negatywnej energii, co jest zgodne z tym, jak oczekuje się, że tunele czasoprzestrzenne będą się zachowywać.

„Wysoka wierność procesora kwantowego, którego użyliśmy, była kluczowa” – mówi Spiropulu. „Gdyby wskaźniki błędów były wyższe o 50 procent, sygnał zostałby całkowicie przesłonięty. Gdyby były o połowę mniejsze mielibyśmy 10 razy większy sygnał!”?

W przyszłości badacze mają nadzieję rozszerzyć tę pracę na bardziej złożone obwody kwantowe. Chociaż bona fide komputery kwantowe mogą być jeszcze odległe o lata, zespół planuje kontynuować wykonywanie eksperymentów tej natury na istniejących platformach obliczeń kwantowych.

„Związek między splątaniem kwantowym, czasoprzestrzenią i grawitacją kwantową jest jednym z najważniejszych pytań w fizyce fundamentalnej i aktywnym obszarem badań teoretycznych” – mówi Spiropulu. „Jesteśmy podekscytowani zrobieniem tego małego kroku w kierunku testowania tych idei na sprzęcie kwantowym i będziemy kontynuować”.

Badanie zatytułowane „Traversable wormhole dynamics on a quantum processer” zostało sfinansowane przez U.S. Department of Energy Office of Science poprzez program badawczy QCCFP. Wśród pozostałych autorów są: Joseph Lykken z Fermilab; David Kolchmeyer, dawniej na Harvardzie, a obecnie postdoc w MIT; Nikolai Lauk, dawniej postdoc w Caltech; oraz Hartmut Neven z Google.

Więcej informacji można znaleźć na stronie Alliance for Quantum Technologies: https://inqnet.caltech.edu/wormhole2022/.

Źródło: California Institute of Technology. Whitney Clavin