فیزیکدانان «کرم‌چاله نظری» را با استفاده از «کامپیوتر کوانتومی» ایجاد کردند

به گزارش گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا به نقل از وبگاه (سای تک دیلی)، برای اولین بار، دانشمندان یک آزمایش کوانتومی را توسعه دادند که به آن‌ها اجازه می‌دهد تا دینامیک یا رفتار نوع خاصی از کرم چاله نظری را مطالعه کنند. این آزمایش به محققان اجازه می‌دهد تا ارتباطات بین کرم‌چاله‌های نظری و فیزیک کوانتومی را که پیش‌بینی به اصطلاح گرانش کوانتومی است، بررسی کنند.

گرانش کوانتومی به مجموعه‌ای از نظریه‌ها اشاره دارد که به دنبال پیوند گرانش با فیزیک کوانتومی هستند، دو توصیف بنیادی و به خوبی مطالعه شده از طبیعت که ذاتاً با یکدیگر ناسازگار به نظر می‌رسند. توجه داشته باشید که این آزمایش یک کرم چاله واقعی (پارگی در فضا و زمان معروف به پل انیشتین-رزن) ایجاد نکرده است.

ماریا اسپیروپولو، محقق اصلی برنامه تحقیقاتی دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده، می‌گوید: ما یک سیستم کوانتومی پیدا کردیم که ویژگی‌های کلیدی یک کرم‌چاله گرانشی را نشان می‌دهد، اما برای پیاده‌سازی در سخت‌افزار کوانتومی امروزی به اندازه کافی کوچک است. (QCCFP) و استاد فیزیک شانگ یی چِن در کالتک.

این کار گامی به سوی یک برنامه بزرگتر برای آزمایش فیزیک گرانش کوانتومی با استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی است. آن را جایگزین کاوشگر‌های مستقیم گرانش کوانتومی نمی‌کند مانند سایر آزمایش‌های برنامه‌ریزی‌شده که ممکن است اثرات گرانش کوانتومی را در آینده با استفاده از سنجش کوانتومی بررسی کنند، اما یک بستر آزمایشی قدرتمند برای تمرین ایده‌های گرانش کوانتومی ارائه می‌دهد.

این تحقیق در ژورنال نیچر در ۱ دسامبر منتشر شد. دانیل جافریس از دانشگاه هاروارد و الکساندر زلوکاپا (BS '۲۱)، دانشجوی سابق مقطع لیسانس در Caltech که این پروژه را برای پایان نامه کارشناسی خود با Spiropulu شروع کرد و از آن زمان به فارغ التحصیلی رفته است. مدرسه MIT اولین نویسندگان این مطالعه هستند.

این تصویر از یک کرم چاله (پل انیشتین-رزن) تونلی را با دو سر در نقاط مجزا در فضازمان به تصویر می‌کشد. کرم چاله یک ساختار گمانه‌زنی است که نقاط مختلف فضازمان را به هم متصل می‌کند و بر اساس حل ویژه معادلات میدان انیشتین است.

کرمچاله‌ها پل‌هایی هستند که بین دو منطقه دورافتاده در فضازمان قرار دارند. آن‌ها به صورت تجربی مشاهده نشده اند، اما دانشمندان در مورد وجود و خواص آن‌ها برای نزدیک به ۱۰۰ سال نظریه پردازی کرده اند. در سال ۱۹۳۵، آلبرت انیشتین و ناتان روزن کرمچاله‌ها را به عنوان تونل‌هایی در بافت فضازمان بر اساس نظریه نسبیت عام اینشتین توصیف کردند که گرانش را به عنوان انحنای فضازمان توصیف می‌کند. محققان کرم‌چاله‌ها را پل‌های انیشتین-رزن به نام دو فیزیکدانی که آن‌ها را فراخوانی کردند، می‌نامند، در حالی که اصطلاح کرم‌چاله را فیزیکدان جان ویلر در دهه ۱۹۵۰ ابداع کرد.

این تصور که کرم‌چاله‌ها و فیزیک کوانتومی، به‌ویژه درهم‌تنیدگی (پدیده‌ای که در آن دو ذره می‌توانند در فواصل بسیار زیاد به هم متصل بمانند)، ممکن است ارتباط داشته باشند، برای اولین بار در تحقیقات نظری خوان مالداسنا و لئونارد ساسکیند در سال ۲۰۱۳ مطرح شد. فیزیکدانان حدس زدند که کرم‌چاله‌ها (یا "ER") معادل درهم تنیدگی بودند (همچنین به نام "EPR" پس از آلبرت انیشتین، بوریس پودولسکی [دکتری ۲۸]و ناتان روزن، که برای اولین بار این مفهوم را مطرح کردند، شناخته می‌شوند. در اصل، این کار نوع جدیدی از پیوند نظری را بین جهان‌های گرانش و فیزیک کوانتومی ایجاد کرد.

Spiropulu از کار ER = EPR می‌گوید: این یک ایده بسیار جسورانه و شاعرانه بود.

بعداً، در سال ۲۰۱۷، جافریس به همراه همکارانش پینگ گائو و آرون وال، ایده ER = EPR را نه فقط به کرم‌چاله‌ها، بلکه به کرم‌چاله‌های قابل عبور گسترش دادند. دانشمندان سناریویی را ساختند که در آن انرژی دافعه منفی یک کرمچاله را به اندازه کافی باز نگه می‌دارد که چیزی از یک سر به سر دیگر عبور کند. محققان نشان دادند که این توصیف گرانشی از یک کرم چاله قابل عبور معادل فرآیندی است که به عنوان تله‌پورت کوانتومی شناخته می‌شود. در تله پورت کوانتومی، پروتکلی که به طور تجربی در فواصل طولانی از طریق فیبر نوری و بر روی هوا نشان داده شده است، اطلاعات با استفاده از اصول درهم تنیدگی کوانتومی در فضا منتقل می‌شود.

کار حاضر هم ارزی کرمچاله‌ها را با تله پورت کوانتومی بررسی می‌کند. تیم تحت رهبری Caltech اولین آزمایش‌هایی را انجام دادند که این ایده را بررسی می‌کنند که اطلاعات سفر از یک نقطه در فضا به نقطه دیگر را می‌توان به زبان گرانش (کرم‌چاله‌ها) یا به زبان فیزیک کوانتومی (درهم‌تنیدگی کوانتومی) توصیف کرد.

یک یافته کلیدی که الهام‌بخش آزمایش‌های احتمالی بود در سال ۲۰۱۵ رخ داد، زمانی که الکسی کیتایف از Caltech، استاد فیزیک نظری و ریاضیات رونالد و ماکسین لیند، نشان داد که یک سیستم کوانتومی ساده می‌تواند همان دوگانگی را که بعداً توسط گائو، جافریس و وال توصیف شد، نشان دهد؛ که دینامیک کوانتومی مدل معادل اثرات گرانش کوانتومی است.

این مدل Sachdev–Ye–Kitaev یا SYK (به نام کیتایف، و سوبیر ساچدف و جین‌وو یه، دو محقق دیگر که قبلاً روی توسعه آن کار کرده‌اند) باعث شد تا محققان پیشنهاد کنند که برخی از ایده‌های نظری کرم‌چاله را می‌توان با انجام آزمایش‌هایی عمیق‌تر مطالعه کرد. پردازنده‌های کوانتومی

در ادامه این ایده‌ها، در سال ۲۰۱۹، جافریس و گائو نشان دادند که با درهم‌تنیدگی دو مدل SYK، محققان باید بتوانند انتقال دور کرم‌چاله را انجام دهند و بنابراین خواص دینامیکی مورد انتظار از کرم‌چاله‌های قابل عبور را تولید و اندازه‌گیری کنند.

در مطالعه جدید، تیم فیزیکدانان برای اولین بار این نوع آزمایش را انجام دادند. آن‌ها از یک مدل SYK مانند "بچه" استفاده کردند که برای حفظ خواص گرانشی آماده شده بود، و دینامیک کرم چاله را روی یک دستگاه کوانتومی در گوگل، یعنی پردازنده کوانتومی Sycamore مشاهده کردند. برای انجام این کار، تیم ابتدا باید مدل SYK را به شکل ساده‌شده کاهش می‌داد، موفقیتی که با استفاده از ابزار‌های یادگیری ماشین در رایانه‌های معمولی به دست آوردند.

Spiropulu می‌گوید: ما از تکنیک‌های یادگیری برای یافتن و آماده‌سازی یک سیستم کوانتومی ساده SYK-مانند استفاده کردیم که می‌تواند در معماری‌های کوانتومی فعلی رمزگذاری شود و خواص گرانشی را حفظ کند. به عبارت دیگر، ما توصیف میکروسکوپی سیستم کوانتومی SYK را ساده کردیم و مدل موثر حاصل را که روی پردازنده کوانتومی یافتیم، مطالعه کردیم. کنجکاو و تعجب آور است که چگونه بهینه سازی بر روی یکی از ویژگی‌های مدل، معیار‌های دیگر را حفظ کرد! ما برنامه‌هایی برای آزمایش‌های بیشتر داریم تا بینش بهتری در مورد خود مدل داشته باشیم.

در این آزمایش، محققان یک کیوبیت (معادل کوانتومی بیت در رایانه‌های مبتنی بر سیلیکون معمولی) را در یکی از سیستم‌های SYK مانند خود وارد کردند و اطلاعات خروجی از سیستم دیگر را مشاهده کردند. اطلاعات از طریق تله‌پورتاسیون کوانتومی از یک سیستم کوانتومی به سیستم دیگر منتقل می‌شد - یا به زبان مکمل گرانش، اطلاعات کوانتومی از طریق کرم‌چاله قابل عبور عبور می‌کرد.

ما نوعی انتقال از راه دور کوانتومی را انجام دادیم که معادل یک کرم چاله قابل عبور در تصویر گرانشی است. برای انجام این کار، ما مجبور شدیم سیستم کوانتومی را به کوچک‌ترین نمونه‌ای که ویژگی‌های گرانشی را حفظ می‌کند، ساده کنیم تا بتوانیم آن را روی پردازنده کوانتومی Sycamore در گوگل پیاده‌سازی کنیم.

سامانتا دیویس، یکی از نویسندگان این مقاله، دانشجوی کارشناسی ارشد در Caltech، می‌افزاید: مدت زیادی طول کشید تا به نتایج رسیدیم و ما خودمان را با نتیجه شگفت‌زده کردیم.

جان پرسکیل، استاد فیزیک نظری ریچارد فاینمن در کال‌تک، می‌گوید: اهمیت کوتاه‌مدت این نوع آزمایش این است که چشم‌انداز گرانشی راهی ساده برای درک یک پدیده کوانتومی مرموز چند ذره‌ای ارائه می‌کند. موسسه اطلاعات و ماده کوانتومی (IQIM). چیزی که در مورد این آزمایش جدید گوگل برای من جالب بود این است که از طریق یادگیری ماشینی، آن‌ها توانستند سیستم را به اندازه کافی ساده کنند تا روی یک ماشین کوانتومی موجود شبیه سازی شود و در عین حال کاریکاتور معقولی از آنچه تصویر گرانش پیش بینی می‌کند حفظ کند.

در این مطالعه، فیزیکدانان رفتار کرم چاله مورد انتظار را هم از منظر گرانش و هم از فیزیک کوانتومی گزارش کردند. به عنوان مثال، در حالی که اطلاعات کوانتومی را می‌توان به روش‌های مختلف در سراسر دستگاه منتقل کرد، یا از راه دور منتقل کرد، فرآیند آزمایشی حداقل از برخی جهات معادل آن چیزی است که اگر اطلاعات از طریق یک کرم‌چاله عبور کند، ممکن است اتفاق بیفتد. برای انجام این کار، تیم تلاش کرد تا با استفاده از پالس‌های انرژی دافعه منفی یا انرژی مثبت، کرم‌چاله را باز نگه دارد. آن‌ها علائم کلیدی یک کرم چاله قابل عبور را تنها زمانی مشاهده کردند که معادل انرژی منفی اعمال شود، که با نحوه رفتار کرمچاله‌ها مطابقت دارد.

Spiropulu می‌گوید: وفاداری بالای پردازنده کوانتومی مورد استفاده ما ضروری بود. اگر میزان خطا تا ۵۰ درصد بیشتر بود، سیگنال کاملاً مبهم بود. اگر آن‌ها نصف بودند، ۱۰ برابر سیگنال داشتیم!

در آینده، محققان امیدوارند که این کار را به مدار‌های کوانتومی پیچیده‌تر گسترش دهند. اگرچه ممکن است هنوز سال‌ها با رایانه‌های کوانتومی واقعی فاصله داشته باشند، اما این تیم قصد دارد به انجام آزمایش‌هایی از این نوع بر روی پلتفرم‌های محاسباتی کوانتومی موجود ادامه دهد.

اسپیروپولو می‌گوید: رابطه بین درهم‌تنیدگی کوانتومی، فضازمان و گرانش کوانتومی یکی از مهم‌ترین سؤالات در فیزیک بنیادی و یک حوزه فعال تحقیقات نظری است. ما از برداشتن این گام کوچک در جهت آزمایش این ایده‌ها بر روی سخت افزار کوانتومی هیجان زده هستیم و به راه خود ادامه خواهیم داد.