Adakah 'perjalanan masa' akan menjadi kenyataan? Para saintis mencipta 'lubang cacing' pertama dan muncul di muka depan Alam

Sebagai orang yang hidup dalam dunia tiga dimensi, kita semua nampaknya terfikir tentang soalan: Adakah perjalanan masa boleh dilakukan?

Pada tahun 1916, ahli fizik Austria Ludwig Flamm pertama kali mencadangkan konsep "lubang cacing". lubang putih disambungkan melalui lubang cacing, jadi "lubang cacing" juga dipanggil "Jambatan Einstein-Rosen." "Lubang cacing" dianggap sebagai "jalan pintas" yang mungkin di alam semesta, yang melaluinya objek boleh memindahkan masa dan ruang dalam sekelip mata. Walau bagaimanapun, saintis tidak dapat mengesahkan kewujudan objektif lubang cacing.

Kini, saintis telah mencipta lubang cacing yang pertama, dan kertas penyelidikannya terdapat pada kulit majalah Nature.

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

Lubang cacing adalah seperti hologram, terdiri daripada bit maklumat kuantum, atau "qubit," yang disimpan dalam litar superkonduktor kecil. Penyelidikan berjaya menghantar maklumat melalui lubang cacing dengan memanipulasi qubit.

Penyelidikan ini diketuai oleh profesor fizik Institut Teknologi California Maria Spiropulu Pasukan penyelidik menggunakan komputer kuantum Google Sycamore untuk melaksanakan "protokol teleportasi lubang cacing" baharu.

Ahli fizik Institut Teknologi California Maria Spiropulu. Sumber: Majalah Quantum.

Prinsip holografik ialah prinsip asas berdasarkan sifat kuantum lohong hitam, yang melibatkan fizik asas, mekanik kuantum dan relativiti am. Ahli fizik telah cuba untuk mendamaikan teori-teori yang berbeza ini sejak tahun 1930-an. Sejak 1990-an prinsip holografik telah mencadangkan kesetaraan matematik atau "dualiti" antara kedua-dua rangka kerja. Prinsip holografik berpendapat bahawa kontinum ruang-masa melengkung yang diterangkan oleh relativiti am sebenarnya adalah sistem kuantum zarah yang menyamar. Ruang masa dan graviti timbul daripada kesan kuantum, sama seperti hologram 3D diunjurkan daripada corak 2D.

Eksperimen baru yang dijalankan oleh Spiropulu et al mengesahkan bahawa kita boleh mengawal kesan kuantum dalam komputer kuantum dan menghasilkan fenomena yang kita harapkan dapat dilihat dalam teori relativiti - lubang cacing.

Untuk menjadi jelas, tidak seperti hologram biasa, lubang cacing bukanlah sesuatu yang boleh kita lihat. Daniel Jafferis, pembangun utama lubang cacing dan pengarang bersama di Universiti Harvard, percaya bahawa walaupun hasil penyelidikan kami boleh dianggap sebagai protokol penghantaran "filamen masa sebenar", ia bukan sebahagian daripada dunia nyata yang sama seperti yang kami dan komputer Sycamore yang didiami. Prinsip holografik mencadangkan bahawa kedua-dua realiti ini-satu dengan lubang cacing dan satu dengan qubit-adalah versi berbeza dari fizik yang sama, tetapi bagaimana untuk mengkonseptualisasikan dualiti ini masih menjadi misteri.

Komuniti saintifik mungkin mempunyai pendapat yang berbeza-beza tentang makna asas hasil penyelidikan. Tetapi yang penting, lubang cacing holografik dalam eksperimen itu terdiri daripada ruang-masa yang berbeza daripada ruang-masa alam semesta kita sendiri. Sama ada percubaan ini adalah bukti lanjut bahawa ruang-masa yang kita diami juga holografik boleh dipertikaikan.

Jafferis berkata: "Saya rasa graviti di alam semesta memang timbul daripada beberapa qubit, sama seperti lubang cacing satu dimensi ini timbul daripada cip Sycamore. Tetapi kami Belum pasti sepenuhnya, kami' masih cuba memikirkannya. 》

Latar belakang

Surat menyurat AdS/CFT ditemui pada penghujung siri penerokaan yang disebabkan oleh masalah itu. Apakah jumlah maksimum maklumat yang boleh ditampung dalam satu kawasan ruang? Jika seseorang bertanya kepada jurutera berapa banyak maklumat yang mungkin disimpan oleh pusat data, jawapannya mungkin "ia bergantung pada bilangan dan jenis cip memori di dalamnya." Tetapi yang menghairankan, apa yang ada di dalam pusat data akhirnya tidak begitu penting. Jika kita menjejalkan lebih banyak cip memori dan elektronik yang lebih padat dan padat ke dalam pusat data, ia akhirnya akan runtuh ke dalam lubang hitam yang hilang di sebalik ufuk peristiwa.

Apabila ahli fizik seperti Jacob Bekenstein dan Stephen Hawking cuba mengira kandungan maklumat lohong hitam, mereka terkejut apabila mendapati ia diberikan oleh kawasan ufuk peristiwa, bukan oleh lohong hitam. isipadu. Nampaknya maklumat di dalam lubang hitam itu tertulis di kaki langit acara. Khususnya, ufuk peristiwa lubang hitam boleh dibentangkan dengan luas unit kecil A (setiap unit dipanggil "kawasan Planck", iaitu 2.6121×10^-70 meter persegi), dengan sehingga A/ maklumat 4 bit. Had ini dipanggil "sempadan Bekenstein-Hawking."

Penemuan ini menunjukkan bahawa jumlah maksimum maklumat yang boleh disimpan oleh rantau tidak semestinya berkadar dengan jumlahnya, tetapi dengan luas permukaan sempadan rantau itu, yang membayangkan maklumat kuantum Hubungan yang menarik dengan dunia tiga dimensi pengalaman harian kita. Hubungan ini telah dirangkumkan oleh frasa "Ia dari qubit," menerangkan bagaimana jirim (ia) muncul daripada maklumat kuantum (qubits).

Walaupun memformalkan perhubungan ini sukar untuk ruang masa biasa, kajian baru-baru ini telah mencapai kemajuan yang ketara ke arah alam semesta hipotesis dengan geometri hiperbolik, yang dikenali sebagai "ruang Anti-de Sitter" (anti-de Sitter space), di mana pembinaan teori graviti kuantum adalah lebih semula jadi.

Dalam ruang anti-de Sitter, perihalan isipadu ruang di mana graviti bertindak, boleh dianggap sebagai dikodkan pada sempadan mengelilingi isipadu itu: setiap objek dalam ruang Terdapat huraian yang sepadan pada sempadan dan sebaliknya. Surat-menyurat maklumat ini dipanggil "prinsip holografik," prinsip umum yang diilhamkan oleh pemerhatian Bekenstein dan Hawking.

Korespondensi AdS/CFT membolehkan ahli fizik mengaitkan objek dalam angkasa dengan koleksi khusus qubit yang berinteraksi di permukaan . Iaitu, setiap kawasan sempadan mengekodkan (dalam maklumat kuantum) kandungan kawasan ruang-masa tertentu, supaya jirim di mana-mana lokasi tertentu boleh "dibina" daripada maklumat kuantum. Ini membolehkan pemproses kuantum berfungsi secara langsung dengan qubit sambil memberikan pandangan tentang fizik ruang dan masa. Dengan mentakrifkan parameter komputer kuantum dengan teliti untuk mensimulasikan model tertentu, kita boleh mengkaji lubang hitam, atau melangkah lebih jauh, untuk mengkaji dua lubang hitam yang saling berkaitan—konfigurasi yang dikenali sebagai "lubang cacing", atau "Einstein - Rosen Bridge. ".

Graviti Kuantum dalam Makmal

Penyelidik Google merancang untuk melaksanakan idea ini pada pemproses Sycamore, dan mereka telah membina sistem Kuantum yang boleh dilalui. Dengan menterjemahkan prinsip holografik daripada bahasa maklumat kuantum kepada fizik ruang dan masa, eksperimen membolehkan zarah jatuh ke satu sisi lubang cacing dan melihatnya muncul di sisi lain.

Dalam penyelidikan baru-baru ini, Daniel Jafferis, Ping Gao dan Aron Wall menunjukkan kemungkinan lubang cacing yang boleh dilalui. Lubang cacing telah lama menjadi subjek fiksyen sains, tetapi yang dibina "daripada imaginasi" akan runtuh pada zarah yang melaluinya.

Penyelidik telah menunjukkan bahawa gelombang kejutan tenaga negatif, ubah bentuk ruang-masa yang bergerak pada kelajuan cahaya, boleh menyelesaikan masalah ini dengan membuka lubang cacing cukup lama untuknya perjalanan melalui. Kehadiran tenaga negatif dalam lubang cacing yang boleh dilalui adalah serupa dengan tenaga negatif dalam kesan Casimir, di mana tenaga vakum menolak plat yang jaraknya rapat bersama-sama. Dalam kedua-dua kes, mekanik kuantum membenarkan ketumpatan tenaga di lokasi tertentu dalam ruang menjadi positif atau negatif. Sebaliknya, jika lubang cacing mengalami gelombang kejutan tenaga positif, tiada maklumat akan dibenarkan.

Aplikasi paling mudah menggunakan prinsip holografik untuk mencipta lubang cacing memerlukan banyak, banyak qubit - sebenarnya, untuk mendekati penyelesaian pensil dan kertas yang diberikan oleh ahli fizik teori Penyelesaiannya memerlukan banyak daripada qubit. Apabila bilangan qubit berkurangan, pembetulan tambahan diperlukan yang masih tidak diketahui hari ini. Membina lubang cacing yang boleh dilalui pada bilangan komputer kuantum yang terhad memerlukan idea baharu.

Salah seorang penyelidik, Zlokapa, menggunakan idea pembelajaran mendalam untuk mereka bentuk sistem kuantum kecil yang mengekalkan aspek utama fizik graviti. Rangkaian saraf dilatih dengan perambatan balik, kaedah yang mengoptimumkan parameter dengan mengira secara terus kecerunan setiap lapisan rangkaian. Untuk meningkatkan prestasi rangkaian saraf dan menghalangnya daripada melengkapkan set data latihan secara berlebihan, penyelidik pembelajaran mesin menggunakan sejumlah besar teknik, seperti sparsification, yang cuba mengehadkan butiran maklumat dalam rangkaian dengan menetapkan seberapa banyak pemberat yang mungkin. kepada sifar.

Alex Zlokapa ialah pelajar siswazah di MIT yang menyertai Projek Wormhole sebagai seorang sarjana muda. Dalam penyelidikannya, dia menemui cara untuk memudahkan protokol lubang cacing yang cukup untuk dijalankan pada komputer kuantum Google. Sumber: Majalah Quantum.

Begitu juga, untuk mencipta lubang cacing, penyelidik bermula dengan sistem kuantum yang besar dan memperlakukannya seperti rangkaian saraf. Backpropagation mengemas kini parameter sistem untuk mengekalkan sifat graviti, manakala sparsification mengurangkan saiz sistem. Mereka menggunakan pembelajaran mesin untuk mempelajari sistem yang mengekalkan hanya satu ciri graviti utama: kepentingan menggunakan gelombang kejutan tenaga negatif. Set data latihan membandingkan dinamik zarah yang bergerak melalui lubang cacing yang dibuka dengan tenaga negatif dan lubang cacing runtuh dengan tenaga positif. Dengan memastikan sistem yang dipelajari mengekalkan asimetri ini, mereka memperoleh model jarang yang konsisten dengan dinamik lubang cacing.

Para penyelidik menjalankan banyak ujian ke atas sistem kuantum baharu untuk menentukan sama ada ia mempamerkan tingkah laku graviti melebihi ciri-ciri yang disebabkan oleh gelombang kejutan tenaga yang berbeza. Sebagai contoh, sementara kesan mekanikal kuantum boleh menyampaikan maklumat dalam sistem kuantum dalam pelbagai cara, maklumat yang bergerak melalui ruang dan masa—termasuk melalui lubang cacing—mesti konsisten secara sebab akibat. Ciri ini dan ciri lain telah disahkan pada komputer klasik, mengesahkan bahawa dinamik sistem kuantum adalah konsisten dengan penjelasan graviti melalui leksikon prinsip holografik.

Melaksanakan lubang cacing yang boleh dilalui sebagai percubaan pada pemproses kuantum ialah proses yang sangat rumit. Mekanisme mikroskopik pemindahan maklumat merentasi qubit sangat huru-hara: bayangkan setitik dakwat berputar di dalam air. Apabila zarah jatuh ke dalam lubang cacing, maklumatnya disapu ke seluruh sistem kuantum hologram. Untuk membolehkan gelombang kejutan tenaga negatif berfungsi, gangguan maklumat mesti mengikut corak khas yang dikenali sebagai "penggulungan saiz sempurna."

Selepas zarah melanda gelombang kejutan tenaga negatif, corak huru-hara berfungsi secara terbalik: apabila zarah keluar dari lubang cacing, ia seolah-olah titisan itu membatalkan sepenuhnya turbulensi asalnya meresap dan berkumpul semula. Jika pada bila-bila masa ralat kecil berlaku, dinamik huru-hara tidak akan membuat asal sendiri dan zarah tidak akan dapat melalui lubang cacing.

Pada pemproses kuantum Sycamore, penyelidik mengukur berapa banyak maklumat kuantum dipindahkan dari satu sisi sistem apabila gelombang kejutan tenaga negatif dan positif digunakan Lulus ke seberang. Mereka memerhatikan sedikit asimetri antara kedua-dua tenaga, menunjukkan ciri utama lubang cacing yang boleh dilalui. Disebabkan oleh kepekaan protokol ini kepada hingar, kadar ralat rendah pemproses Sycamore adalah penting untuk mengukur isyarat walaupun dengan 1.5x bunyi, isyarat akan ditutup sepenuhnya.

Pandangan

Graviti hanyalah satu contoh keupayaan unik komputer kuantum untuk meneroka teori fizikal yang kompleks: Pemproses kuantum boleh memberikan cerapan tentang kristal masa, huru-hara kuantum dan kimia . Kerja mengenai dinamik lubang cacing ini mewakili satu langkah ke arah menggunakan pemproses kuantum untuk menemui fizik asas.

Memandangkan peranti kuantum terus bertambah baik, kadar ralat yang lebih rendah dan cip yang lebih besar akan membolehkan penyelidik menjalankan pengesanan fenomena graviti yang lebih mendalam. Tidak seperti eksperimen yang merekodkan data graviti tentang dunia di sekeliling mereka, komputer kuantum menyediakan alat untuk meneroka teori graviti kuantum. Pada masa hadapan, komputer kuantum akan membantu membangunkan pemahaman tentang teori graviti kuantum masa hadapan melangkaui model semasa.

Atas ialah kandungan terperinci Adakah 'perjalanan masa' akan menjadi kenyataan? Para saintis mencipta 'lubang cacing' pertama dan muncul di muka depan Alam. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!