Ученые впервые воссоздали на квантовом компьютере проходимую червоточину

Физики использовали квантовый компьютер для имитации проходимой червоточины (кротовой норы), телепортирующей информацию между двумя квантовыми системами.

В художественной литературе червоточины обычно изображаются как туннели, соединяющие две удаленные точки, позволяющие мгновенно перемещаться по космическому пространству.

И хотя они могут показаться фантастической концепцией, на самом деле червоточины на удивление правдоподобны. Но их свойства остаются плохо изученными, и возможно несколько противоречивых моделей. Это создает парадокс: чтобы узнать больше, требуются наблюдения за настоящими червоточинами, но чтобы наблюдать за ними, нужно узнать больше, чтобы мы знали, что искать.

Компьютерное моделирование может помочь разорвать этот круг, позволяя физикам протестировать различные модели червоточин и посмотреть, как они могут себя вести.

В новом исследовании ученые впервые добились этого. Однако такого рода симуляции нельзя запустить на любом компьютере — для этого требовались мощности квантовых процессоров для выполнения вычислений, недоступных традиционным машинам.

Ученые исследовали интригующую корреляцию между червоточинами и квантовой физикой — идея червоточины, отправляющей любые объекты через вселенную в мгновение ока, подозрительно похожа на квантовую телепортацию, когда информация может быть мгновенно отправлена ​​между двумя запутанными частицами, независимо от того, как далеко они находятся.

Используя квантовый процессор Google Sycamore, ученые из Калифорнийского технологического института, Гарварда, Фермилаб и Google провели первую симуляцию червоточины.

Ключом была установленная модель, известная как SYK, которая могла моделировать эффекты квантовой гравитации — в этом случае команда объединила две упрощенные системы SYK вместе, а затем отправила квантовый бит (кубит) информации в одну из них.

Оказалось, что информация вышла из второй системы. Эксперимент продемонстрировал не только квантовую телепортацию, но, поскольку две модели SYK также моделируют квантовую гравитацию, что была реалистичная симуляция того, как проходимая червоточина будет работать в реальном мире.

Давно было предсказано, что для того, чтобы червоточина оставалась открытой достаточно долго, чтобы что-то могло пройти через нее, на кротовую нору необходимо воздействовать отрицательной энергией.

В ходе моделирования ученые проверили эту идею и обнаружили, что червоточина работает только в том случае, если ее поражают импульсом смоделированной отрицательной энергии, но не положительной энергии. По словам команды, это подтверждает, что модель представляет собой нечто большее, чем просто стандартное событие квантовой телепортации.

Конечно, это далеко не реальный туннель сквозь пространство-время, но ученые говорят, что модель может помочь физикам исследовать свойства червоточин в реальном мире, если они существуют. Она может улучшить наше понимание кротовых дыр до такой степени, что мы в конечном итоге поймем, как искать их в космосе.

«Мы нашли квантовую систему, которая демонстрирует ключевые свойства гравитационной червоточины, но при этом достаточно проста для реализации на современном квантовом оборудовании», — сказала Мария Спиропулу, главный автор исследования.

«Наша работа представляет собой шаг к более крупной программе тестирования квантовой гравитации с использованием квантового компьютера. Она не заменяет прямые исследования квантовой гравитации, но предлагает мощный испытательный стенд для проверки идей квантовой гравитации».

Исследование было опубликовано в журнале Nature.