Физики на квантовом компьютере наблюдали поведение червоточины в пространстве-времени
Связь между червоточиной в пространстве-времени и квантовой телепортацией — «Это была очень смелая и поэтичная идея». Мария Спиропулу, квантовый физик
Ученые впервые разработали квантовый эксперимент, который позволил изучать динамику теоретической червоточины (в русской терминологии используется понятие «кротовая нора»). Эксперимент не создал настоящую червоточину (разрыв в пространстве и времени), но позволил исследовать связи между теоретическими червоточинами и квантовой физикой.
«Мы обнаружили квантовую систему, которая демонстрирует ключевые свойства гравитационной червоточины, но при этом достаточно мала для реализации на современном квантовом оборудовании», — говорит ведущий автор работы Мария Спиропулу. — «Эта работа не заменяет прямые исследования квантовой гравитации, но предлагает испытательный стенд для проверки выводов этой теории».
Мосты в пространстве-времени
Червоточины — это «мосты» между двумя удаленными регионами в пространстве-времени. Их никогда не наблюдали экспериментально, но их существование не противоречит теории относительности. В 1935 году Альберт Эйнштейн и Натан Розен описали червоточины как туннели сквозь ткань пространства-времени. Исследователи называют такие червоточины мостами Эйнштейна-Розена. Но передать информацию по такому мосту нельзя, — он «схлопывается», не пропуская свет. Термин «червоточина» (wormhole) был введен Джоном Уилером в 1950-х годах.
Представление о том, что червоточины и квантовая запутанность (явление, при котором две частицы остаются связанными на огромных расстояниях) могут иметь связь, было впервые высказано в теоретическом исследовании Хуаном Малдасеной и Леонардом Сасскиндом в 2013 году. Физики предположили, что червоточины (или «ER» — в честь Эйнштейна-Розена) эквивалентны запутанности («EPR» — в честь Эйнштейна-Подольского-Розена). По сути, эта работа установила новый вид теоретической связи между мирами гравитации и квантовой физики. «Это была очень смелая и поэтичная идея», — говорит Спиропулу о работе, смысл которой можно коротко выразить, как ER = EPR.
В 2017 году Даниэль Джафферис (он один из соавторов новой работы) вместе со своими коллегами Пингом Гао и Ароном Уоллом распространил идею ER = EPR не только на непроходимые червоточины (мосты Эйнштейна-Розена), но и на проходимые (например, червоточины Морриса-Торна), через которые может передаваться сигнал.
Ученые придумали сценарий, в котором отрицательная энергия как бы «подпирает» червоточину изнутри и оставляет ее открытой достаточно долго, чтобы сообщение успело пройти. Исследователи показали, что такое гравитационное описание проходимой червоточины эквивалентно процессу, известному как квантовая телепортация. Квантовая телепортация уже надежно подтверждена в экспериментах: информацию удается мгновенно передавать на большие расстояния по оптоволокну и по воздуху с использованием квантовой запутанности.
Передача сообщения через модель червоточины
В 2019 году Джафферис и Гао показали, что, запутав две квантовые модели (модели SYK) можно выполнять телепортацию, аналогичную «проходу» сквозь червоточину, и таким образом создавать и измерять динамические свойства, ожидаемые от проходимых червоточин.
В новом исследовании группа физиков под руководством Калифорнийского технологического института выполнила такой эксперимент впервые. Ученые использовали малую квантовую модель, сохраняющую гравитационные свойства, и наблюдали за моделью червоточины на квантовом устройстве, предоставленном Google, на квантовом процессоре Sycamore.
Физики сообщают, что модель червоточины вела себя теоретически ожидаемо, как с точки зрения гравитации, так и с точки зрения квантовой физики. Квантовая информация может телепортироваться различными способами, но было показано, что во время эксперимента процесс был эквивалентен, по крайней мере, в некоторых отношениях тому, что могло бы произойти, если бы информация прошла через червоточину.
«Взаимосвязь между квантовой запутанностью, пространством-временем и квантовой гравитацией — один из самых важных вопросов фундаментальной физики и активная область теоретических исследований», — говорит Спиропулу. — «Мы рады сделать этот небольшой шаг к проверке этих идей на квантовом оборудовании и будем продолжать».
