Wird „Zeitreise' wahr? Wissenschaftler erschaffen das erste „Wurmloch' und erscheinen auf dem Cover von Nature

Als Menschen, die in einer dreidimensionalen Welt leben, scheinen wir alle über eine Frage nachgedacht zu haben: Sind Zeitreisen möglich?

Im Jahr 1916 schlug der österreichische Physiker Ludwig Flamm erstmals das Konzept des „Wurmlochs“ vor. In den 1930er Jahren stellten Einstein und Nathan Rosen beim Studium der Gravitationsfeldgleichungen die Hypothese auf, dass schwarze Löcher und weiße Löcher durchqueren „wird auch „Einstein-Rosen-Brücke“ genannt. „Wurmlöcher“ gelten als mögliche „Abkürzungen“ im Universum, durch die Objekte augenblicklich Zeit und Raum übertragen können. Allerdings konnten Wissenschaftler die objektive Existenz von Wurmlöchern nicht bestätigen.

Jetzt haben Wissenschaftler das allererste Wurmloch geschaffen und der Forschungsbericht befindet sich auf dem Cover des Nature-Magazins.

Papieradresse: https://www.nature.com/articles/s41586-022-05424-3

Ein Wurmloch ist wie ein Hologramm, das in einem winzigen supraleitenden Schaltkreis gespeichert ist Es besteht aus Quanteninformationsbits oder „Qubits“. Die Forschung schickte erfolgreich Informationen durch ein Wurmloch, indem sie Qubits manipulierte.

Diese Forschung wurde von der Physikprofessorin Maria Spiropulu vom California Institute of Technology geleitet. Das Forschungsteam nutzte Googles Quantencomputer Sycamore, um ein neues „Wurmloch-Teleportationsprotokoll“ zu implementieren.

Caltech-Physikerin Maria Spiropulu. Quelle: Quantum Magazine.

Das holographische Prinzip ist ein Grundprinzip, das auf den Quanteneigenschaften von Schwarzen Löchern basiert und grundlegende Physik, Quantenmechanik und allgemeine Relativitätstheorie umfasst. Seit den 1930er Jahren versuchen Physiker, diese unterschiedlichen Theorien in Einklang zu bringen. Seit den 1990er Jahren schlägt das holographische Prinzip eine mathematische Äquivalenz oder „Dualität“ zwischen den beiden Rahmenwerken vor. Das holographische Prinzip besagt, dass das durch die allgemeine Relativitätstheorie beschriebene gekrümmte Raum-Zeit-Kontinuum tatsächlich ein getarntes Quantensystem aus Teilchen ist. Raumzeit und Schwerkraft entstehen durch Quanteneffekte, genauso wie 3D-Hologramme aus 2D-Mustern projiziert werden.

Und dieses neue Experiment von Spiropulu et al. bestätigt, dass wir Quanteneffekte in Quantencomputern kontrollieren und das Phänomen erzeugen können, das wir in der Relativitätstheorie erwarten – Wurmlöcher.

Um es klarzustellen: Im Gegensatz zu gewöhnlichen Hologrammen können wir Wurmlöcher nicht sehen. Daniel Jafferis, der Hauptentwickler von Wurmlöchern und Co-Autor an der Harvard University, glaubt, dass unsere Forschungsergebnisse zwar als Übertragungsprotokoll für „echte Raum-Zeit-Filamente“ betrachtet werden können, sie jedoch nicht Teil derselben realen Welt sind wie wir und der Sycamore-Computer bewohnt. Das holographische Prinzip legt nahe, dass diese beiden Realitäten – die mit Wurmlöchern und die mit Qubits – unterschiedliche Versionen derselben Physik sind, aber wie diese Dualität konzeptualisiert werden soll, bleibt ein Rätsel.

Die wissenschaftliche Gemeinschaft kann unterschiedliche Meinungen über die grundlegende Bedeutung der Forschungsergebnisse haben. Entscheidend ist jedoch, dass das holographische Wurmloch im Experiment aus einer anderen Raumzeit besteht als der Raumzeit unseres eigenen Universums. Ob dieses Experiment ein weiterer Beweis dafür ist, dass die Raumzeit, in der wir leben, ebenfalls holografisch ist, ist fraglich.

Jafferis sagte: „Ich denke, die Schwerkraft im Universum wird tatsächlich von einigen Qubits erzeugt, genau wie dieses eindimensionale Wurmloch vom Sycamore-Chip erzeugt wird. Aber wir sind uns noch nicht ganz sicher, wir sind immer noch mit der Erkundung beschäftigt.“ "

Hintergrund

Die AdS/CFT-Korrespondenz wurde am Ende einer Reihe von durch Fragen ausgelösten Untersuchungen entdeckt. Was ist die maximale Informationsmenge, die in einem einzigen Raumbereich untergebracht werden kann? Wenn jemand einen Ingenieur fragt, wie viele Informationen ein Rechenzentrum speichern könnte, würde die Antwort wahrscheinlich lauten: „Das hängt von der Anzahl und Art der darin enthaltenen Speicherchips ab.“ Aber überraschenderweise ist es letztendlich nicht so wichtig, was sich im Rechenzentrum befindet. Wenn wir immer mehr Speicherchips und immer dichter werdende Elektronik in ein Rechenzentrum stopfen, wird es irgendwann in ein Schwarzes Loch kollabieren, das hinter dem Ereignishorizont verschwindet.

Als Physiker wie Jacob Bekenstein und Stephen Hawking versuchten, den Informationsgehalt eines Schwarzen Lochs zu berechnen, stellten sie überrascht fest, dass dieser durch die Fläche des Ereignishorizonts und nicht durch das Volumen des Schwarzen Lochs gegeben war. Es sieht so aus, als wären die Informationen im Inneren des Schwarzen Lochs in den Ereignishorizont geschrieben. Konkret kann der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs mit der Fläche von A winzigen Einheiten (jede Einheit wird als „Planck-Fläche“ bezeichnet, die 2,6121×10^-70 Quadratmeter groß ist) mit bis zu A/ 4-Bit-Informationen. Diese Grenze wird „Bekenstein-Hawking-Grenze“ genannt.

Diese Entdeckung zeigt, dass die maximale Informationsmenge, die eine Region aufnehmen kann, nicht unbedingt proportional zu ihrem Volumen ist, sondern zur Oberfläche der Grenze der Region, was impliziert, dass Quanteninformationen mit den drei zusammenhängen: dimensionaler Raum in unserer täglichen Erfahrung Eine interessante Beziehung zwischen Welten. Diese Beziehung wurde durch den Ausdruck „It from qubit“ zusammengefasst, der beschreibt, wie Materie (it) aus Quanteninformation (Qubits) entsteht.

Während es für die gewöhnliche Raumzeit schwierig ist, diese Beziehung zu formalisieren, hat eine aktuelle Studie erhebliche Fortschritte bei einem hypothetischen Universum mit hyperbolischer Geometrie gemacht, das als „Anti-de-Sitter-Raum“ (anti-de-Sitter-Raum) bekannt ist und in dem sich die Quantengravitationstheorie befindet ist natürlicher aufgebaut.

Im Anti-de-Sitter-Raum kann man sich die Beschreibung des Gravitationsvolumens des Raums als auf der das Volumen umgebenden Grenze kodiert vorstellen: Jedes Objekt im Raum hat eine entsprechende Beschreibung auf der Grenze, und umgekehrt. Diese Informationskorrespondenz wird als „holographisches Prinzip“ bezeichnet, ein allgemeines Prinzip, das von den Beobachtungen von Bekenstein und Hawking inspiriert wurde.

AdS/CFT-Korrespondenz ermöglicht es Physikern, Objekte im Weltraum mit bestimmten Sammlungen interagierender Qubits auf ihren Oberflächen zu verbinden. Das heißt, jede Region der Grenze kodiert (in Quanteninformationen) den Inhalt einer bestimmten Region der Raumzeit, sodass Materie an jedem gegebenen Ort aus Quanteninformation „konstruiert“ werden kann. Dadurch können Quantenprozessoren direkt mit Qubits arbeiten und gleichzeitig Einblicke in die Physik von Raum und Zeit gewinnen. Indem wir die Parameter eines Quantencomputers sorgfältig definieren, um ein bestimmtes Modell zu simulieren, können wir Schwarze Löcher untersuchen oder sogar noch einen Schritt weiter gehen und zwei miteinander verbundene Schwarze Löcher untersuchen – eine Konfiguration, die als „Wurmloch“ oder „Einstein-Rosen-Brücke“ bekannt ist ".

Quantengravitation im Labor

Google-Forscher planen, diese Ideen auf dem Sycamore-Prozessor umzusetzen und haben ein Quantensystem gebaut, das einem durchquerbaren Wurmloch entspricht. Durch die Übersetzung holographischer Prinzipien aus der Sprache der Quanteninformation in die Physik von Raum und Zeit lässt das Experiment ein Teilchen in die eine Seite eines Wurmlochs fallen und beobachtet, wie es auf der anderen Seite wieder auftaucht.

In jüngsten Forschungen haben Daniel Jafferis, Ping Gao und Aron Wall die Möglichkeit durchquerbarer Wurmlöcher nachgewiesen. Wurmlöcher sind seit langem Gegenstand von Science-Fiction, aber eines, das „aus der Fantasie“ konstruiert wurde, würde bei Partikeln, die es passieren, zusammenbrechen.

Forscher haben gezeigt, dass Stoßwellen negativer Energie, also Raum-Zeit-Deformationen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, dieses Problem lösen können, indem sie das Wurmloch lange genug öffnen, damit es hindurchwandern kann. Das Vorhandensein negativer Energie in durchquerbaren Wurmlöchern ähnelt der negativen Energie beim Casimir-Effekt, bei dem Vakuumenergie eng beieinander liegende Platten zusammendrückt. In beiden Fällen ermöglicht die Quantenmechanik, dass die Energiedichte an einem bestimmten Ort im Raum positiv oder negativ ist. Wenn das Wurmloch hingegen einer Schockwelle positiver Energie ausgesetzt ist, werden keine Informationen durchgelassen.

Die einfachste Anwendung der Verwendung holographischer Prinzipien zur Erzeugung eines Wurmlochs erfordert viele, viele Qubits – tatsächlich wären viele, viele Qubits erforderlich, um der Bleistift- und Papierlösung der theoretischen Physiker nahe zu kommen. Da die Anzahl der Qubits abnahm, waren zusätzliche Korrekturen erforderlich, die heute noch unbekannt sind. Um auf einer begrenzten Anzahl von Quantencomputern ein durchquerbares Wurmloch zu bauen, sind neue Ideen erforderlich.

Einer der Forscher, Zlokapa, nutzte Deep-Learning-Ideen, um ein kleines Quantensystem zu entwerfen, das Schlüsselaspekte der Gravitationsphysik beibehält. Neuronale Netze werden durch Backpropagation trainiert, eine Methode, die Parameter durch direkte Berechnung der Gradienten jeder Schicht des Netzwerks optimiert. Um die Leistung neuronaler Netze zu verbessern und eine Überanpassung des Trainingsdatensatzes zu verhindern, verwenden Forscher des maschinellen Lernens eine Vielzahl von Techniken, beispielsweise die Sparsifizierung, bei der versucht wird, die Informationsdetails im Netzwerk durch die Festlegung möglichst vieler Gewichte einzuschränken auf Null.

Alex Zlokapa ist ein Doktorand am MIT, der sich als Student dem Wormhole Project angeschlossen hat. Bei seiner Forschung fand er einen Weg, das Wurmlochprotokoll so weit zu vereinfachen, dass es auf dem Quantencomputer von Google ausgeführt werden kann. Quelle: Quantum Magazine.

Um ein Wurmloch zu erzeugen, beginnen Forscher ebenfalls mit einem großen Quantensystem und behandeln es wie ein neuronales Netzwerk. Durch die Rückausbreitung werden die Parameter des Systems aktualisiert, um die Gravitationseigenschaften beizubehalten, während die Sparsifizierung die Größe des Systems verringert. Sie nutzten maschinelles Lernen, um ein System zu erlernen, das nur ein wichtiges Gravitationsmerkmal beibehielt: die Bedeutung der Verwendung von Stoßwellen negativer Energie. Der Trainingsdatensatz vergleicht die Dynamik von Partikeln, die sich durch ein offenes Wurmloch mit negativer Energie und durch ein kollabiertes Wurmloch mit positiver Energie bewegen. Indem sie sicherstellten, dass das erlernte System diese Asymmetrie beibehielt, erhielten sie ein spärliches Modell, das mit der Wurmlochdynamik übereinstimmt.

Forscher führten viele Tests am neuen Quantensystem durch, um festzustellen, ob es ein Gravitationsverhalten aufweist, das über die Eigenschaften hinausgeht, die durch Stoßwellen unterschiedlicher Energie verursacht werden. Während beispielsweise quantenmechanische Effekte Informationen in Quantensystemen auf vielfältige Weise übertragen können, müssen Informationen, die durch Raum und Zeit reisen – auch durch Wurmlöcher – kausal konsistent sein. Diese und andere Merkmale wurden auf einem klassischen Computer überprüft und bestätigten, dass die Dynamik des Quantensystems mit einer Erklärung der Schwerkraft durch das Lexikon holographischer Prinzipien übereinstimmt.

Die Implementierung eines durchquerbaren Wurmlochs als Experiment auf einem Quantenprozessor ist ein äußerst heikler Prozess. Die mikroskopischen Mechanismen der Informationsübertragung zwischen Qubits sind äußerst chaotisch: Stellen Sie sich einen Tintentropfen vor, der im Wasser wirbelt. Wenn ein Teilchen in ein Wurmloch fällt, werden seine Informationen im gesamten Quantensystem des Hologramms verschmiert. Damit eine Stoßwelle mit negativer Energie funktioniert, muss die Unterbrechung der Informationen einem speziellen Muster folgen, das als „Perfektgrößenwicklung“ bekannt ist.

Nachdem ein Teilchen auf eine Schockwelle negativer Energie trifft, funktioniert das chaotische Muster praktisch umgekehrt: Wenn das Teilchen aus dem Wurmloch austritt, ist es, als ob sich das Tröpfchen wieder zusammensetzte, indem es seine ursprüngliche turbulente Diffusion vollständig aufhob. Wenn zu irgendeinem Zeitpunkt ein kleiner Fehler auftritt, wird die chaotische Dynamik nicht rückgängig gemacht und die Partikel können das Wurmloch nicht passieren.

Auf dem Sycamore-Quantenprozessor haben Forscher gemessen, wie viel Quanteninformation von einer Seite des Systems auf die andere übertragen wurde, wenn Stoßwellen negativer und positiver Energie angewendet wurden. Sie beobachteten eine leichte Asymmetrie zwischen den beiden Energien, was ein Schlüsselmerkmal eines durchquerbaren Wurmlochs zeigt. Aufgrund der Empfindlichkeit dieses Protokolls gegenüber Rauschen ist die niedrige Fehlerrate des Sycamore-Prozessors entscheidend für die Messung des Signals; selbst bei 1,5-fachem Rauschen wird das Signal vollständig maskiert.

Vorausschauend

Die Schwerkraft ist nur ein Beispiel für die einzigartige Fähigkeit von Quantencomputern, komplexe physikalische Theorien zu erforschen: Quantenprozessoren können Einblicke in Zeitkristalle, Quantenchaos und Chemie liefern. Diese Arbeit zur Wurmlochdynamik stellt einen Schritt hin zur Verwendung von Quantenprozessoren zur Entdeckung grundlegender Physik dar.

Da Quantengeräte immer besser werden, werden niedrigere Fehlerraten und größere Chips es Forschern ermöglichen, Gravitationsphänomene tiefer zu erfassen. Im Gegensatz zu Experimenten, die Gravitationsdaten über die Welt um sie herum aufzeichnen, bieten Quantencomputer ein Werkzeug zur Erforschung der Quantengravitationstheorie. In Zukunft werden Quantencomputer dazu beitragen, das Verständnis zukünftiger Quantengravitationstheorien über aktuelle Modelle hinaus zu entwickeln.

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