№ 4

Декабрь/2022

Russian Traveler 04/2022

Ученые создали «кротовую нору» на квантовом компьютере

Фото: Caltech

Они действительно существуют?

Кротовые норы, или червоточины – популярные явления в современной научной фантастике, которые можно описать, как «туннели» во времени-пространстве. Но существуют ли они на самом деле в реальной Вселенной и как они работают? Чтобы ответить на эти вопросы, ученые использовали квантовый процессор для имитации червоточины, телепортирующей информацию между двумя квантовыми системами.

В художественной литературе кротовые норы обычно изображаются как туннели, соединяющие две удаленные точки в пространстве, позволяющие мгновенно перемещаться по космосу. Выглядит как удобный сюжетный ход, но на самом деле червоточины на удивление правдоподобны. Существование подобных червоточин предположил Альберт Эйнштейн, согласовав их со своей общей теорией относительности. В последующие десятилетия ученые пытались выяснить, где и как мы можем их найти.

Тем не менее, возможные характеристики таких явлений остаются плохо изученными, и учёные до сих пор не могут сойтись на одной из противоречивых моделей. Получается парадокс: чтобы узнать больше, нам потребуются наблюдения за настоящими червоточинами, но, чтобы наблюдать за ними, нам нужно узнать больше, чтобы мы знали, что искать. Компьютерное моделирование может вмешаться в этот замкнутый 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 компьютеров, которые подключаются к удивительному царству квантовой физики для выполнения вычислений, недоступных традиционным компьютерам.

Команда ученых исследовала интригующую корреляцию между червоточинами и квантовой физикой, изучив идею о том, что кротовая нора в мгновение ока может перенаправлять предметы через всю Вселенную. Это подозрительно напоминает квантовую телепортацию, при которой информация может мгновенно передаваться между двумя запутанными частицами, независимо от того, как далеко они находятся друг от друга.

Используя квантовый процессор Google Sycamore, ученые из Калифорнийского технологического института, Гарварда, Fermilab и Google провели первое моделирование червоточины на квантовом компьютере. Ключом к их исследованию 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.

И действительно, вторая система выдала информацию. Это продемонстрировало не только квантовую телепортацию, но, поскольку две модели SYK также моделируют квантовую гравитацию, это была реалистичная симуляция того, как проходимая червоточина будет работать в реальном мире.

Конечно, это далеко не реальный туннель сквозь пространство-время, но исследователи говорят, что эта модель может помочь изучить свойства червоточин в реальном мире, если они существуют. Это может помочь нам так хорошо изучить их в теории, 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 мала для реализации на современном квантовом оборудовании. Эта работа представляет собой шаг к более крупной программе тестирования квантовой гравитации», – заключает ведущий автор исследования Мария Спиропулу.