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 (pęknięcia w czasie i przestrzeni), a raczej pozwolił naukowcom zbadać powiązania między teoretycznymi tunelami czasoprzestrzennymi a fizyką kwantową, przewidując tak zwaną grawitację kwantową. 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 tunelu czasoprzestrzennego, ale jest wystarczająco mały, aby można go było wdrożyć na dzisiejszym sprzęcie kwantowym” – mówi Maria Spiropulu, główny badacz programu badawczego Biura Naukowego Departamentu Energii USA Quantum Communication Channels for Fundamental Physics (QCCFP) i Shang-Yi Ch’en profesor fizyki w Caltech. „Ta praca stanowi krok w kierunku szerszego programu testowania fizyki grawitacji kwantowej przy użyciu komputera kwantowego. Nie zastępuje ona bezpośrednich sond grawitacji kwantowej w taki sam sposób, jak inne planowane eksperymenty, które mogą badać efekty grawitacji kwantowej w przyszłości za pomocą wykrywania kwantowego , ale oferuje potężne stanowisko testowe do sprawdzania idei grawitacji kwantowej”.
Wyniki badań 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 podyplomowe na MIT.
Tunele czasoprzestrzenne to mosty między dwoma odległymi regionami w czasoprzestrzeni. Nie zaobserwowano ich eksperymentalnie, ale naukowcy snuli teorie na temat ich istnienia i właściwości od blisko 100 lat. W 1935 roku Albert Einstein i Nathan Rosen opisali tunele czasoprzestrzenne jako tunele przechodzące przez tkaninę czasoprzestrzeni zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina, która opisuje grawitację jako zakrzywienie czasoprzestrzeni. Naukowcy nazywają tunele czasoprzestrzenne mostami Einsteina-Rosena na cześć dwóch fizyków, którzy je przywołali, podczas gdy sam termin „tunel czasoprzestrzenny” został wymyślony przez fizyka Johna Wheelera w latach pięćdziesiątych XX wieku.
Pogląd, że tunele czasoprzestrzenne i fizyka kwantowa, w szczególności splątanie (zjawisko, w którym dwie cząstki mogą pozostawać połączone na dużych odległościach), mogą mieć związek, został po raz pierwszy zaproponowany w badaniach teoretycznych przez Juana Maldacena i Leonarda Susskinda w 2013 r. Fizycy spekulowali, że tunele czasoprzestrzenne ( lub „ER”) były odpowiednikiem splątania (znanego również jako „EPR” od nazwiska Alberta Einsteina, Borysa Podolskiego [PhD ’28]i Nathan Rosen, który jako pierwszy zaproponował tę koncepcję). Zasadniczo praca ta ustanowiła nowy rodzaj teoretycznego powiązania między światami grawitacji i fizyki kwantowej. „To był bardzo śmiały i poetycki pomysł”, mówi Spiropulu o pracy ER = EPR.
Później, w 2017 roku, Jafferis wraz ze swoimi kolegami Ping Gao i Aronem Wallem rozszerzył ideę ER = EPR nie tylko na tunele czasoprzestrzenne, ale także na tunele czasoprzestrzenne, przez które można przejść. Naukowcy wymyślili scenariusz, w którym ujemna energia odpychająca utrzymuje tunel czasoprzestrzenny otwarty na tyle długo, aby coś mogło przejść z jednego końca na drugi. Naukowcy wykazali, że ten grawitacyjny opis tunelu czasoprzestrzennego, po którym można przejść, odpowiada procesowi znanemu jako teleportacja kwantowa. W teleportacji kwantowej, protokole, który został eksperymentalnie zademonstrowany na duże odległości przez światłowód i powietrze, informacje są transportowane w przestrzeni przy użyciu zasad splątania kwantowego.
Niniejsza praca bada równoważność tuneli czasoprzestrzennych z teleportacją kwantową. Zespół kierowany przez Caltech przeprowadził pierwsze eksperymenty, które zbadały ideę, że informacje przemieszczające się z jednego punktu w przestrzeni do drugiego można opisać albo w języku grawitacji (tunele czasoprzestrzenne), albo w języku fizyki kwantowej (splątanie kwantowe).
Kluczowe odkrycie, które zainspirowało możliwe eksperymenty, miało miejsce w 2015 r., kiedy Alexei Kitaev z Caltech, profesor fizyki teoretycznej i matematyki Ronalda i Maxine Linde, wykazał, że prosty układ kwantowy może wykazywać tę samą dwoistość opisaną później przez Gao, Jafferisa i Walla, na przykład że dynamika kwantowa modelu jest równoważna efektom grawitacji kwantowej. Ten model Sachdev-Ye-Kitaev lub SYK (nazwany na cześć Kitaeva oraz Subira Sachdeva i Jinwu Ye, dwóch innych badaczy, którzy wcześniej pracowali nad jego rozwojem) skłonił badaczy do zasugerowania, że niektóre teoretyczne pomysły dotyczące tuneli czasoprzestrzennych można głębiej zbadać, przeprowadzając eksperymenty na procesory kwantowe.
Kontynuując te pomysły, w 2019 roku Jafferis i Gao wykazali, że splątając dwa modele SYK, naukowcy powinni być w stanie przeprowadzić teleportację tunelu czasoprzestrzennego, a tym samym wytworzyć i zmierzyć właściwości dynamiczne oczekiwane od tuneli czasoprzestrzennych, przez które można przejść.
W nowym badaniu zespół fizyków po raz pierwszy przeprowadził tego typu eksperyment. Użyli „małego” modelu podobnego do SYK, przygotowanego do zachowania właściwości grawitacyjnych, i obserwowali dynamikę tunelu czasoprzestrzennego na urządzeniu kwantowym w Google, a mianowicie procesorze kwantowym Sycamore. Aby to osiągnąć, 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 się, aby znaleźć i przygotować prosty system kwantowy podobny do SYK, który można zakodować w obecnych architekturach kwantowych i który zachowałby właściwości grawitacyjne” – mówi Spiropulu. „Innymi słowy, uprościliśmy mikroskopowy opis układu kwantowego SYK i zbadaliśmy wynikowy efektywny model, który znaleźliśmy w procesorze kwantowym. To ciekawe i zaskakujące, w jaki sposób optymalizacja jednej cechy modelu zachowała inne metryki! planuje więcej testów, aby uzyskać lepszy wgląd w sam model”.
W eksperymencie naukowcy umieścili kubit – kwantowy odpowiednik bitu w konwencjonalnych komputerach krzemowych – w jednym ze swoich systemów podobnych do SYK i obserwowali, jak informacje wyłaniają się z drugiego systemu. Informacje przemieszczały się z jednego układu kwantowego do drugiego za pomocą teleportacji kwantowej – lub, mówiąc komplementarnym językiem grawitacji, informacje kwantowe przechodziły przez tunel czasoprzestrzenny, przez który można przejść.
„Wykonaliśmy coś w rodzaju kwantowej teleportacji równoważnej przejezdnemu tunelowi czasoprzestrzennemu na obrazie grawitacyjnym. Aby to zrobić, musieliśmy uprościć układ kwantowy do najmniejszego przykładu, który zachowuje właściwości grawitacyjne, abyśmy mogli zaimplementować go na procesorze kwantowym Sycamore w Google, – mówi Złokapa.
Współautorka Samantha Davis, absolwentka Caltech, dodaje: „Osiągnięcie wyników zajęło naprawdę dużo czasu i byliśmy zaskoczeni wynikiem”.
„W bliskiej perspektywie znaczenie tego typu eksperymentów polega na tym, że perspektywa grawitacyjna zapewnia prosty sposób zrozumienia skądinąd tajemniczego wielocząstkowego zjawiska kwantowego” – mówi John Preskill, profesor fizyki teoretycznej Richarda P. Feynmana w Caltech i dyrektor Instytut Informacji i Materii Kwantowej (IQIM). „To, co mnie zainteresowało w tym nowym eksperymencie Google, to to, że dzięki uczeniu maszynowemu byli w stanie uczynić system wystarczająco prostym, aby można go było symulować na istniejącej maszynie kwantowej, zachowując jednocześnie rozsądną karykaturę tego, co przewiduje obraz grawitacyjny”.
W badaniu fizycy zgłaszają zachowanie tunelu czasoprzestrzennego oczekiwane zarówno z punktu widzenia 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, z tym, co mogłoby się stać, gdyby informacja przeszła przez tunel czasoprzestrzenny. Aby to zrobić, zespół próbował „podeprzeć otwarcie tunelu czasoprzestrzennego” za pomocą impulsów albo ujemnego impulsu energii odpychającej, albo przeciwnej, dodatniej energii. Zaobserwowali kluczowe sygnatury przejezdnego tunelu czasoprzestrzennego tylko wtedy, gdy zastosowano ekwiwalent energii ujemnej, co jest zgodne z oczekiwanym zachowaniem tuneli czasoprzestrzennych.
„Wysoka wierność procesora kwantowego, którego użyliśmy, była niezbędna” – mówi Spiropulu. „Gdyby poziomy błędów były wyższe o 50 procent, sygnał byłby całkowicie zaciemniony. Gdyby były o połowę, mielibyśmy 10-krotność sygnału!”?
W przyszłości naukowcy mają nadzieję rozszerzyć te prace na bardziej złożone obwody kwantowe. Chociaż działające w dobrej wierze komputery kwantowe mogą być jeszcze oddalone o wiele lat, zespół planuje kontynuować tego rodzaju eksperymenty na istniejących platformach obliczeń kwantowych.
„Związek między splątaniem kwantowym, czasoprzestrzenią i grawitacją kwantową jest jednym z najważniejszych zagadnień fizyki fundamentalnej i aktywnym obszarem badań teoretycznych” – mówi Spiropulu. „Cieszymy się, że możemy zrobić ten mały krok w kierunku przetestowania tych pomysłów na sprzęcie kwantowym i będziemy kontynuować”.
Badanie zatytułowane „Dynamika tuneli czasoprzestrzennych w ruchu na procesorze kwantowym” zostało sfinansowane przez Biuro Naukowe Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych za pośrednictwem programu badawczego QCCFP. Inni autorzy to: Joseph Lykken z Fermilab; David Kolchmeyer, wcześniej na Harvardzie, a obecnie na MIT; Nikolai Lauk, dawniej postdoc w Caltech; i Hartmut Neven z Google.
Więcej informacji można znaleźć na stronie Alliance for Quantum Technologies: https://inqnet.caltech.edu/wormhole2022.