Переклали цікавий матеріал з сайту quantamagazine.org про фізиків, які створили першу в історії червоточину.
Дослідники змогли надіслати сигнал через відкриту червоточину. Але не все так просто. Здається, фізикам вдалось створити першу в історії червоточину – своєрідний тунель, який описав у 1935 році Альберт Айнштайн і Натан Розен. Цей тунель веде з одного місця в інше за допомогою додаткового виміру простору.
Червоточина виникла як голограма з квантових бітів інформації або «кубітів», що зберігаються в крихітних надпровідних ланцюгах. Маніпулюючи кубітами, фізики відправили інформацію через червоточину.
Команда під керівництвом Марії Спіропулу з Каліфорнійського технологічного інституту реалізувала новий «протокол телепортації червоточини» за допомогою квантового комп’ютера Google, пристрою під назвою Sycamore, розміщеного в Google Quantum AI у Санта-Барбарі (Каліфорнія). Завдяки цьому «квантовому гравітаційному експерименту на чіпі», Спіропулу та її команда перемогли групу фізиків-конкурентів, які прагнули здійснити телепортацію в червоточину за допомогою квантових комп’ютерів IBM і Quantinuum.
Експеримент можна розглядати як доказ голографічного принципу, гіпотези про те, як поєднуються два стовпи фундаментальної фізики, квантова механіка та загальна теорія відносності. Починаючи з 1930-х років фізики намагалися узгодити ці роз’єднані теорії. Одна – книга правил для атомів і субатомних частинок, інша – опис Ейнштейна того, як матерія й енергія деформують тканину простору-часу, породжуючи гравітацію.
Голографічний принцип, який стає популярним у 1990-ті, передбачає математичну еквівалентність або «подвійність» між двома структурами. Його прихильники стверджують, що гнучкий просторово-часовий континуум, описаний загальною теорією відносності, насправді є квантовою системою замаскованих частинок. Простір-час і гравітація виникають через квантові ефекти, так само як 3D-голограма проєктує 2D-шаблон.
Про червоточини вперше заговорили майже століття тому, але знадобилося роки розробки теорії та «божевільна» команда експериментаторів, щоб створити першу на квантовому комп’ютері.
Цей експеримент підтверджує, що квантові ефекти, якими можна керувати у квантовому комп’ютері, здатні створити явище, яке ми очікуємо побачити в теорії відносності: червоточину.
Але ми не можемо побачити червоточину (на відміну від звичайної голограми). Хоча її можна вважати «волокном реального простору-часу» (за словами співавтора Даніеля Джафферіса з Гарвардського університету, провідного розробника протоколу телепортації червоточини), це не частина тієї самої реальності, в якій живемо ми та комп’ютер Sycamore. Голографічний принцип говорить, що дві реальності – одна з червоточиною, а інша з кубітами – є альтернативними версіями однієї фізики, але те, як концептуалізувати цю подвійність, залишається незрозумілим.
Голографічна червоточина в експерименті складається з простору-часу, відмінного від простору-часу нашого власного Всесвіту. Але чи справді це свідчить про те, що простір-час, який ми населяємо, також є голографічним, утвореним квантовими бітами?
«Я думаю, що гравітація в нашому Всесвіті виникає з деяких квантів [бітів] так само як ця маленька одновимірна червоточина виникає з чіпа Sycamore. Але це ще не доведено» – сказав Джафферіс.
В червоточину
Дослідження голографічної червоточини беруть свій початок від двох, здавалося б, не пов’язаних між собою статей, опублікованих у 1935 році: авторами першої були Айнштайн і Розен (стаття ER), другої – ці ж двоє і Борис Подольський (стаття EPR).
У статті ER Айнштайн та його молодий помічник Розен вивели можливість існування червоточин, намагаючись розширити загальну теорію відносності до єдиної теорії всього: опису не лише простору-часу, але й субатомних частинок, завислих у ньому.
Вони взяли до уваги елементи у просторово-часовій тканині, які німецький фізик-солдат Карл Шварцшильд знайшов серед складок загальної теорії відносності в 1916 році, лише через кілька місяців після того, як Айнштайн опублікував теорію. Шварцшильд показав, що маса може гравітаційно притягуватися настільки сильно, що стає нескінченно зосередженою в точці, викривляючи простір-час настільки різко, що змінні стають нескінченними, а рівняння Айнштайна не працюють.
Тепер ми знаємо, що ці «сингулярності» існують у всьому Всесвіті. Це точки, які ми не можемо ані описати, ані побачити, кожна з них прихована в центрі чорної діри, яка гравітаційно затримує все навколишнє світло. Сингулярності – те, де найбільше потрібна квантова теорія гравітації.
Альберт Айнштайн (зліва, 1920 рік) і Натан Розен (приблизно 1955 рік) випадково натрапили на можливість існування червоточин у статті 1935 року.
Айнштайн і Розен припустили, що математика Шварцшильда може бути способом приєднати елементарні частинки до загальної теорії відносності. Щоб картина спрацювала, вони вирізали сингулярність із його рівнянь, замінивши новими змінними, які замінили гостру точку надвимірною трубою, що ковзає в іншу частину простору-часу. Айнштайн і Розен помилково стверджували, що ці «мости» (або червоточини) можуть являти собою частинки.
За іронією долі, намагаючись пов’язати червоточини та частинки, науковці не звернули уваги на дивний феномен частинок, який вони ідентифікували двома місяцями раніше з Подольським у статті EPR: квантову заплутаність.
Заплутування виникає при взаємодії двох частинок. Відповідно до квантових правил, частинки можуть мати кілька можливих станів одночасно. Це означає, що взаємодія між частинками має кілька можливих результатів, залежно від того, в якому стані перебуває кожна частинка. Однак їхні кінцеві стани будуть пов’язані. Після такої взаємодії частинки мають спільну формулу, яка визначає різні комбіновані стани, в яких вони можуть перебувати.
Наслідком, який змусив авторів EPR засумніватися у квантовій теорії, стала «моторошна дія на відстані», як висловився Айнштайн: вимірювання частинки A (яка вибирає одну реальність серед своїх можливостей) миттєво визначає відповідний стан B, незалежно від того, наскільки далеко B.
Наскільки важлива «заплутаність» стало зрозуміліше після того, як у 1990-х роках фізики виявили, що вона дозволяє нові види обчислень. Переплутування двох кубітів (квантових об’єктів, таких як частинки, які існують у двох можливих станах, 0 і 1) дає чотири можливі стани з різною ймовірністю (0 і 0, 0 і 1, 1 і 0, 1 і 1).
Три кубіти створюють вісім одночасних можливостей і так далі; потужність «квантового комп’ютера» експоненціально зростає з кожним додатковим заплутаним кубітом. Прототипи квантових комп’ютерів, які складаються з кількох десятків кубітів, стоворили в останні пару років: це, наприклад, 54-кубітна машина Sycamore від Google.
Але дослідники квантової гравітації зосередилися на квантовій заплутаності з іншої причини: як на можливому вихідному коді просторово-часової голограми.
ER = EPR
Розмови про емерджентний простір-час і голографію почалися наприкінці 1980-х років, після того, як теоретик чорних дір Джон Вілер оприлюднив точку зору, що простір-час і все, що в ньому, може виникати з інформації. Невдовзі інші дослідники, серед яких був і голландський фізик Герард Хоофт, почали розмірковувати, чи може ця поява нагадувати проєкцію голограми.
У статті 1994 року під назвою «Світ як голограма» Леонард Саскінд, теоретик квантової гравітації зі Стенфордського університету, конкретизував голографічний принцип Хофта. Він стверджував, що об’єм простору-часу, який описується загальною теорією відносності, є еквівалентним, або подвійний до системи квантових частинок на нижній межі області.
Приклад голографії з’явився через три роки. Хуан Малдасена, теоретик квантової гравітації, який зараз працює в Інституті передових досліджень у Принстоні, (Нью-Джерсі), виявив, що простір, який називається простором анти-де Сіттера (AdS), справді є голограмою.
Хуан Малдасена (ліворуч) і Леонард Саскінд є лідерами голографічного підходу до квантової гравітації. У 2013 році вони припустили, що червоточини в просторі-часі еквівалентні квантовій заплутаності. Ця гіпотеза відома як ER = EPR.
Фактичний Всесвіт – простір де Сіттера, сфера, що постійно зростає та розростається коштом власної позитивної енергії. Навпаки, простір AdS наповнений негативною енергією, результатом різниці в знаках однієї константи в рівняннях загальної теорії відносності. Він надає простору «гіперболічну» геометрію: об’єкти стискаються, коли вони рухаються назовні від центру простору, стаючи нескінченно малими на зовнішній межі.
Малдасена показав, що простір-час і гравітація всередині Всесвіту AdS точно відповідають властивостям квантової системи на межі (зокрема системи, яка називається конформною теорією поля, або CFT).
Стаття Малдасени 1997 року цитувалась у наступних дослідженнях 22 000 разів: у середньому понад два рази на день. «Найкращі теоретики протягом кількох десятиліть намагались використати ці ідеї», – сказав Пітер Войт, фізик-математик з Колумбійського університету.
Коли Малдасена досліджував свою карту AdS/CFT між динамічним простором-часом і квантовими системами, він зробив нове відкриття про червоточини. Він вивчав особливу модель заплутування, що включає два набори частинок, де кожна частинка в одному наборі заплутана з частинкою в іншому. Малдасена показав, що цей стан математично подвійний до досить драматичної голограми: пари чорних дір у просторі AdS, внутрішні частини яких з’єднані за допомогою червоточини.
Минуло десятиліття, перш ніж у 2013 році Малдасена зрозумів, що його відкриття може означати більш загальну відповідність між квантовою заплутаністю та з’єднанням через червоточину. Він написав загадкове рівняння ER = EPR в електронному листі Сасскінду, який одразу все зрозумів. Вони висловили припущення: «Ми стверджуємо, що міст Ейнштейна-Розена між двома чорними дірами створений EPR-подібними кореляціями між мікростанами двох чорних дір», і що подвійність може бути більш загальною: «Дуже спокусливо думати, що будь-яка корельована система EPR з’єднана якимось мостом ER».
Можливо, червоточина з’єднує кожну заплутану пару частинок у Всесвіті, утворюючи просторовий зв’язок, який записує їхню спільну історію. Можливо, припущення Ейнштейна про те, що червоточини пов’язані з частинками, було правильним.
Міцний міст
Коли Джафферіс почув лекцію Малдасени про ER = EPR на конференції у 2013 році, він зрозумів, що припущена подвійність повинна дозволити вам створювати індивідуальні червоточини, адаптуючи шаблон заплутування.
Стандартні мости Ейнштейна-Розена розчаровують шанувальників наукової фантастики: якби вони утворилися, вони швидко впали б під дією власної сили тяжіння, жоден космічний корабель не встиг би пройти крізь них. Але Джафферіс уявив, що між двома наборами заплутаних частинок, які кодують два отвори червоточини, можна натягнути дріт або щось інше.
За такого типу зв’язку дія на частинки з одного боку спричинить зміни в частинках з іншого, можливо, відкривши червоточину між ними. «Чи може бути так, що це робить червоточину доступною?» – запитував Джафферіс, що захоплювався червоточинами з дитинства (бувши вундеркіндом, що у 14 років уже почав навчатись у Єльському університеті).
Разом зі своїм аспірантом Пін Гао та дослідником Ароном Уоллом він підрахував, що, з’єднавши два набори заплутаних частинок, можна виконати операцію над лівим набором. У подвійній просторово-часовій картині він утримує відкритою червоточину, що веде до правого отвору, і проштовхує кубіт.
Відкриття Джафферісом, Гао та Уоллом у 2016 році цієї голографічної червоточини, яку можна пройти, дало дослідникам нову інформацію щодо механіки голографії.
За кілька місяців Малдасена та двоє його колег побудували схему, показавши, що проходима червоточина може бути реалізована. «Квантова система, яка є достатньо простою, щоб ми могли уявити її створення», – сказав Джафферіс.
Модель SYK – система частинок матерії, які взаємодіють групами, а не звичайними парами. Вперше вона була описана Субіром Сачдевом і Джинву Йє в 1993 році. А у 2015 році фізик-теоретик Олексій Китаєв виявив, що вона голографічна.
На лекції того року в Санта-Барбарі (штат Каліфорнія), Китаєв захоплено наводив докази того, що конкретна версія моделі, в якій частинки матерії взаємодіють у групах по чотири, математично відображається на одновимірному чорному дірка в просторі AdS з однаковою симетрією та іншими властивостями. «Деякі відповіді в обох випадках однакові», – сказав він, звертаючись до аудиторії. Малдасена сидів в першому ряду.
З’єднавши крапки, Малдасена та співавтори припустили, що дві моделі SYK, пов’язані між собою, можуть кодувати два отвори червоточини Джаффріса, Гао та Уолла. Автори до 2019 року знайшли конкретний рецепт для телепортації кубіта інформації з однієї системи частинок, що взаємодіють по чотирьох напрямках, до іншої.
Обертання всіх напрямків обертання частинок перетворюється, у подвійній просторово-часовій картині, на ударну хвилю негативної енергії, яка проноситься крізь червоточину, штовхаючи кубіт вперед і, у передбачуваний час, виходить з отвору.
«Червоточина Джаффріса – це перша конкретна реалізація ER = EPR, де він показує, що співвідношення виконується точно для конкретної системи», – сказав Алекс Злокапа, аспірант Массачусетського технологічного інституту та співавтор нового експерименту.
Червоточина в лабораторії
Поки розвивалася теоретична робота, Марія Спіропулу, досвідчений фізик-експериментатор з елементарних частинок, яка брала участь у відкритті бозона Хіггса у 2012 році, думала про те, як використовувати нові квантові комп’ютери для проведення голографічних експериментів із квантовою гравітацією. У 2018 році вона переконала Джаффріса приєднатися до її чимраз більшої команди разом із дослідниками Google Quantum AI – хранителями пристрою Sycamore.
Щоб запустити протокол телепортації червоточини Джаффріса та Гао на квантовому комп’ютері, команді Спіропулу довелося значно спростити протокол. Повна модель SYK складається з практично нескінченної кількості частинок, пов’язаних одна з одною з випадковою силою, оскільки повсюдно відбуваються чотиристоронні взаємодії. Це неможливо обчислити, навіть з використанням всіх 50 доступних кубітів.
Дослідники вирішили створити голографічну червоточину за допомогою всього семи кубітів і сотень операцій. Для цього їм довелося «розрідити» семичастинкову модель SYK, закодувавши лише найсильніші чотиристоронні взаємодії та виключивши решту, зберігаючи при цьому голографічні властивості моделі. «Знадобилося кілька років, щоб знайти найкращий спосіб це зробити», – сказала Спіропулу.
Марія Спіропулу, фізик з Каліфорнійського технологічного інституту, очолила команду, яка проводила новий експеримент з червоточиною.
Успіху експерименту посприяв талановитий програміст Злокапа, що приєднався до дослідницької групи Спіропулу, ще бувши студентом Калтеху. Він відобразив взаємодію частинок моделі SYK на зв’язки між нейронами нейронної мережі та навчив систему видаляти якомога більше мережевих з’єднань, зберігаючи ключову сигнатуру червоточини. Процедура зменшила кількість чотиристоронніх взаємодій із сотень до п’яти.
Після цього команда почала програмувати кубіти Sycamore. Сім кубітів кодують 14 частинок матерії – по сім у лівій і правій системах SYK, де кожна частка ліворуч переплутана з частинкою праворуч. Потім восьмий кубіт у деякій імовірнісній комбінації станів 0 і 1 міняється з однією з частинок з лівої моделі SYK.
Можливі стани цього кубіта швидко змішуються зі станами інших частинок ліворуч, рівномірно розподіляючи інформацію між ними. Це голографічно подвійно кубіту, який входить у лівий отвір одновимірної червоточини в просторі AdS.
Потім відбувається велике обертання всіх кубітів, подвійне до імпульсу негативної енергії, що проходить через червоточину. Обертання змушує введений кубіт переходити до частинок правої моделі SYK. Потім інформація не поширюється, сказав Прескілл, «як хаос, що біжить назад», і перефокусується на місці однієї частинки праворуч – заплутаного партнера лівої частинки, яку було замінено. Потім вимірюються всі стани кубітів. Підрахунок 0 і 1 протягом багатьох експериментальних прогонів і порівняння цієї статистики з підготовленим станом введених кубітів показує, чи кубіти телепортуються.
Алекс Злокапа, аспірант Массачусетського технологічного інституту, який приєднався до проєкту червоточини ще студентом, знайшов спосіб спростити протокол червоточини настільки, щоб запустити його на квантовому комп’ютері Google.
Дослідники очікують пік: в одному випадку це означає що обертання кубітів, подвійні імпульси негативної енергії, дозволяють їм телепортуватися, тоді як обертання в протилежному напрямку, які подвійні до імпульсів нормальної позитивної енергії, не пропускають кубіти, натомість викликають закриття червоточини.
Пройшло два роки роботи над проєктом. Злокапа відпочивав після першого семестру навчання в аспірантурі. Якось ввечері він запустив готовий протокол на Sycamore. І пік з’явився на екрані його комп’ютера.
«Він става все гострішим і гострішим», – згадує дослідник. «Я надіслав скриншоти Марії, і написав, що це, мабуть, і є червоточина». Пік був «першою ознакою того, що ви можете побачити гравітацію на квантовому комп’ютері».
Корпус однієї з кількох копій чіпа Sycamore, який складається з 50 з гаком кубітів із надпровідних алюмінієвих схем.
Значення червоточини
Джафферіс вважає, що цей експеримент матиме вплив на розвиток квантової механіки. Квантові явища, такі як заплутаність, зазвичай непрозорі та абстрактні; ми не знаємо, наприклад, як вимірювання частинки A визначає стан B здалеку. Але в цьому експерименті квантовий феномен – телепортація інформації між частинками – має реальну інтерпретацію як частинка, яка отримує поштовх енергії та рухається з обчислюваною швидкістю від А до Б.
Можливо, такий квантовий процес, як телепортація, «завжди відчуває гравітаційний вплив на кубіт. Якщо щось подібне може вийти з цього експерименту та інших пов’язаних експериментів, ми можемо дізнатись багато нового про наш Всесвіт».
Марія Спіропулу в Каліфорнійському технологічному інституті
Саскінд, який ознайомився з результатами, сказав, що сподівається, що майбутні експерименти з червоточиною, які включають багато інших кубітів, можна буде використовувати для дослідження внутрішньої частини червоточини як способу дослідження квантових властивостей гравітації.
Деякі фізики скажуть, що експеримент нічого не говорить про наш Всесвіт, оскільки він реалізує подвійність між квантовою механікою та простором анти де Сіттера, яким наш Всесвіт не є.
Протягом 25 років після відкриття Малдасеною відповідності AdS/CFT фізики шукали подібну голографічну подвійність для простору де Сіттера. Але дехто взагалі сумнівається, чи є простір де Сіттера взагалі голографічним. «Запитання на кшталт «А як змусити це працювати у більш фізичному випадку dS?» не нові, а дуже старі й були предметом десятків тисяч людино-років марних зусиль», – сказав Войт, критик AdS. /CFT дослідження. «Потрібні зовсім інші ідеї».
Критики стверджують, що ці два типи простору категорично відрізняються: AdS має зовнішню межу, а простір dS її не має, тому немає плавного математичного переходу, який міг би перетворитися один в інший. Жорстка межа простору AdS – це саме те, що робить голографію легкою в таких умовах, забезпечуючи квантову поверхню, з якої проєктується простір. Для порівняння, у нашому всесвіті де Сіттера єдиними кордонами є те, що ми можемо побачити, і нескінченне майбутнє. Це туманні поверхні, з яких можна спробувати спроєктувати просторово-часову голограму.
Ренате Лолл, відома теоретикиня квантової гравітації з Університету Радбуда в Нідерландах, також підкреслила, що експеримент із червоточиною стосується 2D простору-часу. Червоточина – це нитка з одним просторовим виміром плюс часовий вимір, а гравітація в 4D складніша. «Досить спокусливо заплутатися в хитросплетіннях 2D-моделей іграшок, та не враховувати серйозніші виклики, які чекають на нас у 4D-квантовій гравітації. Я не розумію, як квантові комп’ютери з їхніми нинішніми можливостями можуть бути дуже корисними», – сказала дослідниця.
Більшість дослідників квантової гравітації вважають, що все це складні, але розв’язні проблеми – що схема заплутування, яка переплітає 4D-простір де Сіттера, складніша, ніж для 2D AdS, але ми, однак, можемо отримати загальну інформацію, вивчаючи голографію в простіших умовах. Ці люди схильні вважати, що два типи простору, dS та AdS, швидше подібні, ніж різні.
І все ж Саскінд погоджується, що настав час звернути на це увагу. «Я думаю, що зараз потрібно вибратися з-під захисного шару простору AdS і освоїти світ, який може мати більше спільного з космологією», – сказав він.
У вересні Саскінд припустив, що простір де Сіттера може бути голограмою іншої версії моделі SYK – не тієї, що містить чотиристоронню взаємодію частинок, а такої, в якій кількість частинок, залучених у кожну взаємодію, зростає. як квадратний корінь із загальної кількості частинок. Це «подвійне масштабне обмеження» моделі SYK «поводиться більше як де Сіттер, ніж AdS», сказав він.
Така квантова система є більш складною, ніж запрограмована досі, і вчений не певен, чи можливо її буде реалізувати в лабораторії. Але швидше за все, тепер, коли є одна голографічна червоточина, можемо сподіватись на нові відкриття.