Перевели интересный материал с сайта quantamagazine.org о физиках, создавших первую в истории червоточину.
Исследователи смогли послать сигнал через открытую червоточину. Но не все так просто. Кажется, физикам удалось создать первую в истории червоточину — своеобразный туннель, описанный в 1935 году Альбертом Эйнштейном и Натаном Розеном. Этот тоннель ведет из одного места в другое посредством дополнительного измерения пространства.
Червоточина возникла как голограмма из квантовых битов информации или «кубитов», хранящихся в крошечных сверхпроводящих цепях. Манипулируя кубитами, физики отправили информацию через червоточину.
Команда под руководством Марии Спиропулу из Калифорнийского технологического института реализовала новый протокол телепортации червоточины с помощью квантового компьютера Google, устройства под названием Sycamore, размещенного в Google Quantum AI в Санта-Барбаре (Калифорния). Благодаря этому «квантовому гравитационному эксперименту на чипе», Спиропулу и ее команда победили группу физиков-конкурентов, стремившихся совершить телепортацию в червоточину с помощью квантовых компьютеров IBM и Quantinuum.
Эксперимент можно рассматривать как доказательство голографического принципа, гипотезы о том, как сочетаются два столба фундаментальной физики, квантовая механика и общая теория относительности. Начиная с 30-х годов физики пытались согласовать эти разобщенные теории. Одна — книга правил для атомов и субатомных частиц, другая — описание Эйнштейна о том, как материя и энергия деформируют ткань пространства-времени, порождая гравитацию.
Голографический принцип, который становится популярным в 1990-е, предполагает математическую эквивалентность или двойственность между двумя структурами. Его сторонники утверждают, что гибкий пространственно-временной континуум, описанный общей теорией относительности, на самом деле квантовая система замаскированных частиц. Пространство-время и гравитация возникают из-за квантовых эффектов, равно как 3D-голограмма проектирует 2D-шаблон.
О червоточинах впервые заговорили почти столетие назад, но понадобились годы разработки теории и «сумасшедшая» команда экспериментаторов, чтобы создать первую такую на квантовом компьютере.
Этот эксперимент подтверждает, что квантовые эффекты, которыми можно управлять в квантовом компьютере, способны создать явление, которое мы ожидаем увидеть в теории относительности — червоточину.
Но мы не можем ее увидеть (в отличие от обычной голограммы). Хотя ее можно считать «волокном реального пространства-времени» (по словам соавтора Даниэля Джаффериса из Гарвардского университета, ведущего разработчика протокола телепортации червоточины), это не часть той же реальности, в которой живем мы и компьютер Sycamore. Голографический принцип говорит, что две реальности — одна с червоточиной, а другая с кубитами — альтернативные версии одной физики, но то, как концептуализировать эту двойственность, остается непонятным.
Голографическая червоточина в эксперименте состоит из пространства-времени, отличного от пространства-времени нашей собственной Вселенной. Но действительно ли это свидетельствует, что пространство-время, которое мы населяем, также является голографическим, образованным квантовыми битами?
«Я думаю, что гравитация в нашей Вселенной возникает из некоторых квантов [битов] так же как эта маленькая одномерная червоточина возникает из чипа Sycamore. Но это еще не доказано» — сказал Джафферис.
В червоточину
Исследования голографической червоточины берут свое начало от двух, казалось бы, не связанных между собой статей, опубликованных в 1935 году: авторами первой были Эйнштейн и Розен (статья ER), второй — эти двое и Борис Подольский (статья EPR).
В статье ER Айнштайн и его молодой помощник Розен вывели возможность существования червоточин, пытаясь расширить общую теорию относительности единой теории всего: описания не только пространства-времени, но и зависших в нем субатомных частиц.
Они приняли во внимание элементы в пространственно-временной ткани, которые немецкий физик-солдат Карл Шварцшильд нашел среди складок общей теории относительности в 1916 году, спустя всего несколько месяцев после того, как Эйнштейн опубликовал теорию. Шварцшильд показал, что масса может гравитационно притягиваться настолько сильно, что становится бесконечно сосредоточенной в точке, искажая пространство-время настолько резко, что переменные становятся бесконечными, а уравнения Эйнштейна не работают.
Теперь мы знаем, что эти сингулярности существуют во всей Вселенной. Это точки, которые мы не можем ни описать, ни увидеть, каждая из них скрыта в центре черной дыры, гравитационно задерживающей весь окружающий свет. Сингулярности — то, где больше всего нужна квантовая теория гравитации.
Альберт Эйнштейн (слева, 1920 год) и Натан Розен (примерно 1955 год) случайно наткнулись на возможность существования червоточин в статье 1935 года.
Эйнштейн и Розен предположили, что математика Шварцшильда может являться способом присоединить элементарные частицы к общей теории относительности. Чтобы картина сработала, они вырезали сингулярность из его уравнений, заменив новыми переменными, заменившими острую точку сверхмерной трубой, скользящей в другую часть пространства-времени. Эйнштейн и Розен ошибочно утверждали, что эти «мосты» (или червоточины) могут представлять собой частицы.
По иронии судьбы, пытаясь связать червоточины и частицы, ученые не обратили внимания на странный феномен частиц, который они идентифицировали двумя месяцами раньше Подольского в статье EPR: квантовую запутанность.
Запутывание возникает при взаимодействии двух частиц. Согласно квантовым правилам, частицы могут иметь несколько возможных состояний одновременно. Это означает, что взаимодействие между частицами имеет несколько возможных результатов в зависимости от того, в каком состоянии находится каждая частица. Однако их конечные состояния будут связаны. После такого взаимодействия частицы имеют общую формулу, определяющую разные комбинированные состояния, в которых они могут находиться.
Следствием, заставившим авторов EPR усомниться в квантовой теории, стало «жуткае действие на расстоянии», как выразился Эйнштейн: измерение частицы A (выбирающей одну реальность среди своих возможностей) мгновенно определяет соответствующее состояние B, независимо от того, насколько далеко B.
Насколько важна «запутанность» стало понятнее после того, как в 1990-х годах физики обнаружили, что она разрешает новые виды вычислений. Перепутывание двух кубитов (квантовых объектов, таких как частицы, существующие в двух возможных состояниях, 0 и 1) дает четыре возможных состояния с разной вероятностью (0 и 0, 0 и 1, 1 и 0, 1 и 1).
Три кубита создают восемь одновременных возможностей и так далее; мощность «квантового компьютера» экспоненциально растет с каждым дополнительным запутанным кубитом. Прототипы квантовых компьютеров, состоящие из нескольких десятков кубитов, были созданы в последние пару лет: это, например, 54-кубитная машина Sycamore от Google.
Но исследователи квантовой гравитации сосредоточились на квантовой запутанности по другой причине: как на возможном исходном коде пространственно-временной голограммы.
ER = EPR
Разговоры об эмерджентном пространстве-времени и голографии начались в конце 1980-х годов, после того, как теоретик черных дыр Джон Вилер обнародовал точку зрения, что пространство-время и все, что в нем может возникать из информации. Вскоре другие исследователи, среди которых был и голландский физик Герард Хоофт, начали размышлять, может ли это появление напоминать проекцию голограммы.
В статье 1994 года под названием «Мир как голограмма» Леонард Саскинд, теоретик квантовой гравитации из Стэндфордского университета, конкретизировал голографический принцип Хофта. Он утверждал, что объем пространства-времени, который описывается общей теорией относительности, является эквивалентным или двойной к системе квантовых частиц на нижней границе области.
Пример голографии последовал через три года. Хуан Малдасена, теоретик квантовой гравитации, который сейчас работает в Институте передовых исследований в Принстоне, (Нью-Джерси), обнаружил, что пространство, называемое пространством анти-де Ситтера (AdS), действительно является голограммой.
Хуан Малдасена (слева) и Леонард Саскинд являются лидерами голографического подхода к квантовой гравитации. В 2013 году они предположили, что червоточины в пространстве-времени эквивалентны квантовой запутанности. Эта гипотеза известна как ER=EPR.
Фактическая Вселенная — пространство де Ситтера, сфера, постоянно растущая и разрастающаяся за счет собственной положительной энергии. Напротив, пространство AdS наполнено отрицательной энергией, результатом разницы в знаках одной константы в уравнениях общей теории относительности. Он придает простору «гиперболическую» геометрию: объекты сжимаются, когда они двигаются наружу от центра пространства, становясь бесконечно малыми на внешней границе.
Малдасен показал, что пространство-время и гравитация внутри Вселенной AdS точно соответствуют свойствам квантовой системы на грани (в частности системы, которая называется конформной теорией поля, или CFT).
Статья Малдасены в 1997 году цитировалась в следующих исследованиях 22 000 раз: в среднем более двух раз в день. «Лучшие теоретики в течение нескольких десятилетий пытались использовать эти идеи», — сказал Питер Войт, физик-математик из Колумбийского университета.
Когда Малдасен исследовал свою карту AdS/CFT между динамическим пространством-временем и квантовыми системами, он сделал новое открытие о червоточине. Он изучал особую модель запутывания, включающую два набора частиц, где каждая частица в одном наборе запутана с частицей в другом. Малдасена показал, что это состояние математически двойственно к достаточно драматической голограмме: пара черных дыр в пространстве AdS, внутренние части которых соединены с помощью червоточины.
Прошло десятилетие, прежде чем в 2013 году Малдасен понял, что его открытие может означать более общее соответствие между квантовой запутанностью и соединением через червоточину. Он написал загадочное уравнение ER=EPR в электронном письме Саскинду, который сразу все понял. Они высказали предположение: «Мы утверждаем, что мост Эйнштейна-Розена между двумя черными дырами создан EPR-подобными корреляциями между микросостояниями двух черных дыр», и что двойственность может быть более общей: «Очень соблазнительно полагать, что любая коррелированная система EPR с каким-то мостом ER».
Возможно, червоточина соединяет каждую запутанную пару частиц во Вселенной, образуя пространственную связь, которая записывает их общую историю. Возможно, предположение Эйнштейна, что червоточины связаны с частицами, было верным.
Крепкий мост
Когда Джафферис услышал лекцию Малдасены о ER=EPR на конференции в 2013 году, он понял, что предположенная двойственность должна позволить вам создавать индивидуальные червоточины, адаптируя шаблон запутывания.
Стандартные мосты Эйнштейна-Розена разочаровывают поклонников научной фантастики: если бы они образовались, они бы быстро упали под действием собственной силы тяжести, ни один космический корабль не успел бы пройти сквозь них. Но Джафферис представил, что между двумя наборами запутанных частиц, кодирующих два отверстия червоточины, можно натянуть проволоку или что-то другое.
При таком связи действие на частицы с одной стороны повлечет изменения в частицах с другой, возможно, открыв червоточину между ними. «Может ли быть так, что это делает червоточину доступной?» — спрашивал Джафферис, восхищавшийся червоточинами с детства (быв вундеркиндом, который в 14 лет уже начал учиться в Йельском университете).
Вместе со своим аспирантом Пином Гао и исследователем Ароном Уоллом он подсчитал, что, соединив два набора запутанных частиц, можно выполнить операцию над левым набором. В двойной пространственно-временной картине он удерживает открытую червоточину, ведущую к правому отверстию, и проталкивает кубит.
Открытие Джафферисом, Гао и Уоллом в 2016 году этой голографической червоточины, которую можно пройти, дало исследователям новую информацию о механике голографии.
Через несколько месяцев Малдасена и двое его коллег построили схему, показав, что проходимая червоточина может быть реализована. «Квантовая система, которая достаточно проста, чтобы мы могли представить ее создание», — сказал Джафферис.
Модель SYK — система частиц материи, взаимодействующих группами, а не обычными парами. Впервые она была описана Субиром Сачдевом и Джинвой Йе в 1993 году. А в 2015 году физик-теоретик Алексей Китаев обнаружил, что она голографическая.
На лекции того года в Санта-Барбаре (штат Калифорния), Китаев восторженно приводил доказательства того, что конкретная версия модели, в которой частицы материи взаимодействуют в группах по четыре, математически отражается на одномерном черном дыре в пространстве AdS с одинаковой симметрией и другими свойствами. «Некоторые ответы в обоих случаях одинаковы», — сказал он, обращаясь к аудитории. Малдасен сидел в первом ряду.
Соединив точки, Малдасена и соавторы предположили, что две модели SYK, связанные между собой, могут кодировать два отверстия червоточины Джаффриса, Гао и Уолла. Авторы до 2019 года нашли конкретный рецепт для телепортации кубита информации из одной системы взаимодействующих по четырем направлениям частиц в другую.
Вращение всех направлений вращения частиц превращается в двойной пространственно-временной картине в ударную волну отрицательной энергии, которая проносится сквозь червоточину, толкая кубит вперед и, в предполагаемое время, выходит из отверстия.
«Красноточие Джаффриса — это первая конкретная реализация ER = EPR, где он показывает, что соотношение выполняется точно для конкретной системы», — сказал Алекс Злокапа, аспирант Массачусетского технологического института и соавтор нового эксперимента.
Червоточина в лаборатории
Пока развивалась теоретическая работа, Мария Спиропулу, опытный физик-экспериментатор из элементарных частиц, принимавшая участие в открытии бозона Хиггса в 2012 году, думала о том, как использовать новые квантовые компьютеры для проведения голографических экспериментов по квантовой гравитации. В 2018 году она убедила Джаффриса присоединиться к ее все большей команде вместе с исследователями Google Quantum AI — хранителями устройства Sycamore.
Чтобы запустить протокол телепортации червоточины Джаффриса и Гао на квантовом компьютере, команде Спиропулу пришлось значительно упростить протокол. Полная модель SYK состоит из практически бесконечного количества частиц, связанных друг с другом со случайной силой, поскольку повсеместно происходят четырехсторонние взаимодействия. Это невозможно вычислить даже с использованием всех 50 доступных кубитов.
Исследователи решили создать голографическую червоточину с помощью всего семи кубитов и сотен операций. Для этого им пришлось «разредить» семичастичную модель SYK, закодировав лишь сильнейшие четырехсторонние взаимодействия и исключив остальные, сохраняя при этом голографические свойства модели. «Потребовалось несколько лет, чтобы найти лучший способ это сделать», — сказала Спиропулу.
Мария Спиропулу, физик из Калифорнийского технологического института, возглавила команду, которая проводила новый эксперимент с червоточиной.
Успеху эксперимента помог талантливый программист Злокапа, присоединившийся к исследовательской группе Спиропулу, еще будучи студентом Калтеха. Он отразил взаимодействие частиц модели SYK на связи между нейронами нейронной сети и научил систему удалять как можно больше сетевых соединений, сохраняя ключевую сигнатуру червоточины. Процедура снизила количество четырехсторонних взаимодействий с сотен до пяти.
После этого команда начала программировать кубиты Sycamore. Семь кубитов кодируют 14 частиц материи — по семь в левой и правой системах SYK, где каждая часть слева перепутана с частицей справа. Затем восьмой кубит в некоторой вероятностной комбинации состояний 0 и 1 меняется с одной из частиц левой модели SYK.
Возможные состояния этого кубита быстро смешиваются с состояниями других частиц налево, равномерно распределяя информацию между ними. Это голографически вдвойне кубита, входящего в левое отверстие одномерной червоточины в пространстве AdS.
Затем происходит большое вращение всех кубитов, двойное к импульсу отрицательной энергии, проходящей через червоточину. Вращение заставляет введенный кубит переходить к частицам правой модели SYK. Затем информация не распространяется, сказал Прескилл, «как бегущий назад хаос» и перефокусируется на месте одной частицы справа — запутанного партнера левой частицы, которая была заменена. Затем измеряются все состояния кубитов. Подсчет 0 и 1 в течение многих экспериментальных прогонов и сравнение этой статистики с подготовленным состоянием введенных кубитов показывает, телепортируются ли кубиты.
Алекс Злокапа, аспирант Массачусетского технологического института, присоединившийся к проекту червоточины еще студентом, нашел способ упростить протокол червоточины настолько, чтобы запустить его на квантовом компьютере Google.
Исследователи ожидают пик: в одном случае это означает, что вращения кубитов, двойные импульсам отрицательной энергии, позволяют им телепортироваться, тогда как вращения в противоположном направлении, которые двойные к импульсам нормальной положительной энергии, не пропускают кубиты, вызывают закрытие червоточины.
Прошло два года работы над проектом. Злокапа отдыхал после первого семестра обучения в аспирантуре. Однажды вечером он запустил готовый протокол на Sycamore. И пик появился на экране компьютера.
«Он становился все острее и острее», — вспоминает исследователь. «Я прислал скриншоты Марии, и написал, что это, пожалуй, и есть червоточина». Пик был первым признаком того, что вы можете увидеть гравитацию на квантовом компьютере.
Корпус одной из нескольких копий чипа Sycamore, состоящий из 50 с лишним кубитов из сверхпроводящих алюминиевых схем.
Значение червоточины
Джафферис считает, что этот эксперимент повлияет на развитие квантовой механики. Квантовые явления, такие как запутанность, обычно непрозрачны и абстрактны; мы не знаем, например, как измерение частицы A определяет состояние B издалека. Но в этом эксперименте квантовый феномен — телепортация информации между частицами — имеет реальную интерпретацию как частица, получающая толчок энергии и движущаяся с вычисляемой скоростью от А до Б.
Возможно, такой квантовый процесс, как телепортация, «всегда испытывает гравитационное влияние на кубит. Если что-то подобное может выйти из этого эксперимента и других связанных экспериментов, мы можем узнать много нового о нашей Вселенной».
Мария Спиропулу в Калифорнийском технологическом институте
Ознакомившийся с результатами Саскинд сказал, что надеется, что будущие эксперименты с червоточиной, включающие многие другие кубиты, можно будет использовать для исследования внутренней части червоточины как способа исследования квантовых свойств гравитации.
Некоторые физики скажут, что эксперимент ничего не говорит о нашей Вселенной, поскольку он реализует двойственность между квантовой механикой и пространством анти-де Ситтера, которым наша Вселенная не является.
В течение 25 лет после открытия Малдасена соответствия AdS/CFT физики искали подобную голографическую двойственность для пространства де Ситтера. Но некоторые вообще сомневаются, есть ли пространство де Ситтера вообще голографическим. «Вопрос типа „А как заставить это работать в более физическом случае dS?“ не новые, а очень старые и были предметом десятков тысяч человеко-лет бесполезных усилий», — сказал Войт, критик AdS. /CFT исследование. «Нужны совсем другие идеи».
Критики утверждают, что эти два типа пространства категорически отличаются: AdS имеет внешний предел, а пространство dS его не имеет, поэтому нет плавного математического перехода, который мог бы превратиться один в другой. Жесткий предел пространства AdS — это то, что делает голографию легкой в таких условиях, обеспечивая квантовую поверхность, с которой проектируется пространство. Для сравнения, в нашей вселенной де Ситтера единственными границами есть то, что мы можем увидеть, и бесконечное будущее. Это туманные поверхности, с которых можно попытаться спроектировать пространственно-временную голограмму.
Ренате Лолл, известный теоретик квантовой гравитации из Университета Радбуда в Нидерландах, также подчеркнула, что эксперимент с червоточиной касается 2D пространства-времени. Червоточина — нить с одним пространственным измерением плюс временное измерение, а гравитация в 4D сложнее. «Достаточно соблазнительно запутаться в хитросплетениях 2D-моделей игрушек, и не учитывать более серьезные вызовы, ожидающие нас в 4D-квантовой гравитации. Я не понимаю, как квантовые компьютеры с их нынешними возможностями могут быть очень полезны», — сказала исследовательница.
Большинство исследователей квантовой гравитации считают, что все это сложные, но разрешимые проблемы — что запутывающая схема, которая переплетает 4D-пространство де Ситтера, сложнее, чем для 2D AdS, но мы, однако, можем получить общую информацию, изучая голографию в более простых условиях. Эти люди склонны считать, что два типа пространства, dS и AdS, скорее сходны, чем разные.
И все же Саскинд соглашается, что пора обратить на это внимание. «Я думаю, что сейчас нужно выбраться из-под защитного слоя пространства AdS и освоить мир, который может иметь больше общего с космологией», — сказал он.
В сентябре Саскинд предположил, что пространство де Ситтера может быть голограммой другой версии модели SYK — не содержащей четырехстороннее взаимодействие частиц, а такой, в которой количество частиц, вовлеченных в каждое взаимодействие, растет, как квадратный корень из общего количества частиц. Это «двойное масштабное ограничение» модели SYK «ведет себя больше чем де Ситтер, чем AdS», сказал он.
Такая квантовая система более сложна, чем запрограммированная до сих пор, и ученый не уверен, возможно ли ее будет реализовать в лаборатории. Но, скорее всего, теперь, когда есть одна голографическая червоточина, можем надеяться на новые открытия.