Gaura de vierme holografica creata de un computer cuantic

Intr-un experiment raportat in revista Nature, fizicienii au realizat o performanta remarcabila. Acestia au creat prima gaura de vierme holografica cuantica din lume.

Experimentul analizeaza legatura profunda dintre informatia cuantica si spatiu-timp, provocand teoriile traditionale si aruncand lumina asupra relatiei complexe dintre mecanica cuantica si relativitatea generala.

Echipa de cercetare, condusa de Maria Spiropulu de la Institutul de Tehnologie din California, a folosit computerul cuantic de la Google, Sycamore, pentru a implementa „protocolul de teleportare a gaurilor de vierme”.

Acest experiment gravitational cuantic pe un cip a depasit concurentii folosind calculatoarele cuantice ale IBM si Quantinuum, marcand un salt semnificativ in explorarea fenomenelor cuantice.

Gaura de vierme holografica a aparut ca o holograma din bitii cuantici manipulati, sau „qubiti”, stocati in circuite supraconductoare minuscule.

Gaura de vierme si tunelul cuantic

Aceasta reusita ne aduce mai aproape de realizarea unui tunel, teoretizat de Albert Einstein si Nathan Rosen in 1935, care traverseaza o dimensiune suplimentara a spatiului.

Echipa a transmis cu succes informatii prin acest tunel cuantic, validand si mai mult succesul experimentului.

Principiul holografic, o ipoteza care propune o echivalenta matematica sau „dualitate” intre mecanica cuantica si relativitatea generala, castiga sprijin din acest experiment.

Acesta sugereaza ca un continuum spatiu-timp, descris de relativitatea generala, este, de fapt, un sistem cuantic de particule deghizate.

Aceasta descoperire afirma ca efectele cuantice controlate intr-un computer cuantic pot da nastere unor fenomene asteptate in relativitate, cum ar fi o gaura de vierme.

Oricum, gaura de vierme holografica ramane un concept evaziv, existand ca un filament de spatiu-timp real care nu este vizibil pentru ochiul uman.

Coautorul Daniel Jafferis de la Universitatea Harvard o descrie ca o realitate alternativa, provocand conceptualizarea noastra a dualitatilor in cadrul aceluiasi cadru de fizica.

In ciuda succesului experimentului, persista intrebari fundamentale. Gaura de vierme holografica din experiment reprezinta un alt tip de spatiu-timp decat cel al propriului nostru univers.

Acest lucru provoaca dezbateri daca rezultatele sustin ipoteza ca spatiu-timpul universului nostru este, de asemenea, holografic, modelat complex de biti cuantici.

In cuvintele lui Jafferis, „gravitatia in universul nostru poate sa apara din niste biti cuantici, la fel ca aceasta gaura de vierme unidimensionala care iese din cipul Sycamore. Cu toate acestea, certitudinea ne scapa in timp ce ne straduim sa intelegem aceasta relatie complexa.”

Experimentul deschide noi cai de explorare, impingand granitele intelegerii noastre a naturii fundamentale a universului (video experiment).

In gaura de vierme

Naratiunea gaurii de vierme holografice provine din convergenta neasteptata a doua lucrari publicate in 1935 de Einstein si Rosen (ER) si Einstein, Rosen si Podolsky (ERP).

Initial trecute cu vederea, aceste lucrari au capatat o noua semnificatie pe masura ce fizicienii au patruns in teritoriile neexplorate ale interdependentei cuantice si ale gaurilor de vierme.

Einstein si Rosen, in timp ce se confruntau cu extinderea relativitatii generale intr-o teorie unificata a tuturor, au dat peste potentialul gaurilor de vierme.

Bazandu-se pe descoperirile lui Schwarzschild din 1916 privind singularitatile in cadrul relativitatii generale, ei au imaginat aceste „punti” ca tuburi extradimensionale care inlocuiesc punctele ascutite in spatiu-timp.

Aceste gauri de vierme, au speculat ei, ar putea reprezenta particule, pregatind scena pentru o teorie cuantica a gravitatiei.

In mod remarcabil, duo-ul ER nu a reusit sa-si conecteze ipoteza gaurii de vierme cu fenomenul de interdependenta cuantica identificata in lucrarea ERP cu doar doua luni mai devreme.

Inderdependenta cuantica, in care particulele impart stari indiferent de distanta, s-ar dovedi mai tarziu a fi un element cheie in aceasta cercetare revolutionara.

Implicatiile interdependentei au castigat proeminenta in anii 1990, cand fizicienii si-au dat seama de potentialul sau pentru calculul cuantic.

Obiectele cuantice, cum ar fi qubitii, care exista in mai multe stari simultan au permis o putere de calcul in crestere exponentiala.

Interdependenta qubitilor in computerele cuantice, exemplificata de masina Sycamore de 54 de qubiti de la Google, a aratat progresul tangibil in acest domeniu.

Principiul holografic

Concomitent, cercetatorii gravitatiei cuantice s-au concentrat pe interdependenta ca un potential cod sursa pentru hologramele spatiu-timp.

Aceasta convergenta a calculului cuantic si a fizicii fundamentale a stimulat o abordare interdisciplinara, ducand la crearea cu succes a unei gauri de vierme holografice folosind un computer cuantic.

La sfarsitul anilor 1980, discutiile despre spatiu-timp emergent si holografie au castigat amploare, inspirate de propunerea lui John Wheeler conform careia informatia ar putea fi fundamentul tuturor lucrurilor in spatiu-timp.

Aceasta idee a evoluat cu Gerard ’t Hooft si Leonard Susskind contribuind la principiul holografic, sugerand o dualitate intre spatiu-timp curbat si un sistem cuantic pe granita sa de dimensiuni inferioare.

Corespondenta AdS/CFT din 1997 a lui Juan Maldacena a pus bazele recentei descoperiri. Maldacena a demonstrat ca proprietatile spatiu-timpului si ale gravitatiei in spatiul AdS sunt reflectate intr-o teorie conforma a campului la granita sa.

Explorarile ulterioare efectuate de catre Maldacena in incrucisarea cuantica au condus la realizarea ca anumite modele de interdependenta ar putea fi duale din punct de vedere matematic la o pereche de gauri negre conectate printr-o gaura de vierme.

Un pod robust folosind modelul SYK

Punctul de cotitura a venit in 2013, cand Maldacena si Leonard Susskind au propus conjectura ER = ERP, sugerand o corespondenta generala intre interdependenta si conexiunea gaurii de vierme.

Beni Jafferis, inspirat de aceasta idee, a imaginat sa creeze modele de interdependenta pentru a proiecta gauri de vierme traversabile.

Colaborand cu Ping Gao si Aron Wall, Jafferis a demonstrat in 2016 ca manipularea particulelor interdependente poate intr-adevar sa tina deschisa o gaura de vierme si sa impinga un qubit.

Acest lucru a oferit cercetatorilor o abordare noua pentru a studia mecanica holografiei, permitandu-le sa vada in interiorul gaurii de vierme.

Descoperirea s-a extins odata cu introducerea modelului SYK, un sistem holografic de particule de materie care interactioneaza in grupuri de patru.

Jafferis si Gao, bazandu-se pe cunostintele lui Maldacena, au dezvoltat o metoda concreta de teleportare a informatiilor printr-o gaura de vierme traversabila folosind modelul SYK.

Aceasta descoperire reprezinta prima realizare tangibila a ER = ERP, oferind o intelegere precisa a conexiunii dintre interdependenta si crearea gaurii de vierme.

Recentul experiment, in colaborare cu Alex Zlokapa, un student absolvent la MIT, marcheaza o piatra de hotar semnificativa in incercarea de a dezvalui misterele spatiu-timpului prin intricarea cuantica si holografie.

Abilitatea de a crea si manipula gauri de vierme holografice deschide noi cai pentru explorarea naturii fundamentale a universului.

Gaura de vierme in laborator

Intr-un salt inainte, fizicienii, inclusiv Maria Spiropulu, cunoscuta pentru rolul sau in descoperirea bosonului Higgs in 2012, au realizat crearea unei gauri de vierme holografice folosind un computer cuantic.

Aceasta performanta remarcabila a aparut din eforturile de colaborare ale echipei lui Spiropulu si ale cercetatorilor de la Google Quantum AI, custozii dispozitivului de calcul cuantic Sycamore.

Calatoria a inceput in 2018, cand Spiropulu l-a convins pe colegul fizician Jafferis sa se alature proiectului.

Confruntata cu provocarea de a implementa protocolul de teleportare a gaurii de vierme pe computerul cuantic Sycamore, echipa a trebuit sa simplifice modelul SYK complet, care implica un numar nepractic de particule si interactiuni.

Solutia lor a implicat sparsificarea modelului, pastrandu-si proprietatile holografice cu doar sapte qubiti si un numar redus de operatii.

Cheia succesului consta in abordarea inovatoare a lui Zlokapa, un programator priceput din echipa lui Spiropulu.

Zlokapa a mapat interactiunile cu particule pe o retea neuronala, stergand strategic conexiunile de retea pentru a reduce numarul de interactiuni in patru cai. Acest pas s-a dovedit crucial in realizarea gaurii de vierme holografice cu doar sapte qubiti.

Programarea qubitilor lui Sycamore a implicat codificarea a 14 particule de materie si o schimbare strategica a unui al optulea qubit, creand o gaura de vierme duala holografica cu o gaura de vierme unidimensionala in spatiul AdS.

O rotatie ulterioara a qubitilor, echivalenta cu un puls de energie negativa prin gaura de vierme, a permis teleportarea cu succes a qubitilor intre modelele SYK din stanga si din dreapta.

Un experiment gravitational cuantic reusit

Punctul culminant a doi ani de efort a venit tarziu intr-o noapte de ianuarie, cand Zlokapa a condus protocolul terminat de la distanta din dormitorul copilariei sale.

Aparitia unui varf ascutit pe ecranul computerului a indicat crearea cu succes a unui experiment gravitational cuantic, asemanator cu asistenta la primele date pentru descoperirea lui Higgs.

In special, experimentul a descoperit o a doua semnatura neasteptata cunoscuta sub numele de „size-winding”, un model delicat in informatiile raspandite intre qubiti.

Aceasta proprietate neantrenata a retelei neuronale a confirmat robustetea dualitatii holografice, oferind dovezi experimentale care sustin imaginea gravitationala produsa de computerul cuantic.

In concluzie, aceasta realizare nu reprezinta doar o descoperire semnificativa in experimentele gravitationale cuantice, dar evidentiaza si potentialul computerelor cuantice in explorarea modelelor teoretice complexe, depasind limitele intelegerii noastre a naturii fundamentale a universului.

Urmariti acest site – curiozitati stiinta – pentru a afla si alte lucruri noi si interesante despre universul in care traim!

---

Sursa: quantamagazine.org, livescience.com, newscientist.com.

Foto: Merrill Sherman, Bongani Mlambo/Quanta Magazine.

---

Acest articol a fost sustinut de cititori ca tine.

Misiunea noastra este sa oferim publicului stiri precise si captivante despre stiinta. Aceasta misiune nu a fost niciodata mai importanta decat este astazi.

Nu putem face, insa, acest lucru fara tine.

Sprijinul tau ne permite sa pastram continutul acestui blog gratuit si accesibil. Investeste in jurnalismul stiintific donand chiar astazi.