Nature: на квантовом компьютере запустили прохождение информации через "кротовую нору"

Давид Кастельвекки (Davide Castelvecchi)

Необычный эксперимент по телепортации – это простая квантовая физика, но на его проведение ученых вдохновили туннели в экзотической "игрушечной вселенной".

Физики воспользовались квантовым компьютером, чтобы осуществить квантовую телепортацию нового типа. Это возможность перемещения квантового состояния между удаленными друг от друга местами, как будто информация может перемещаться мгновенно. Телепортация – это зарекомендовавший себя прием в квантовой технологии, однако цель нового эксперимента заключалась в моделировании свойств прохода под названием "кротовая нора" в виртуальной вселенной.

Участники эксперимента, описанного в номере журнала Nature от 30 ноября, называют его важным шагом к использованию обычной квантовой физики для исследования представлений об абстрактных вселенных, когда гравитация и квантовая механика гармонично сосуществуют. Квантовые компьютеры способны помочь с разработкой квантовой теории гравитации в этих "игрушечных" вселенных (разработка квантовой теории гравитации для нашей Вселенной – это один из самых важных вопросов в физике, на который пока нет ответа). "Это проверка представлений о квантовой гравитации в реальных лабораторных условиях на испытательном стенде", - говорит специалист по физике элементарных частиц и руководитель исследования Мария Спиропулу (Maria Spiropulu), работающая в Калифорнийском технологическом институте.

Физики Альберт Эйнштейн и Натан Розен в 1935 году выдвинули теорию кротовых нор, или червоточин. Так они назвали проходы в пространственно-временном континууме, которые могут соединять центры черных дыр. Они рассчитали, что в принципе общая теория относительности Эйнштейна допускает существование таких кротовых нор. А это объясняет гравитацию как следствие искривления пространства-времени. (Вскоре физики поняли, что даже если кротовые норы существуют, они вряд ли позволят осуществлять межзвездные полеты, о которых пишут научные фантасты.).

Поскольку ученые работали с экзотической игрушечной вселенной, они в ходе своего исследования не моделировали ничего такого, что напоминало бы кротовую нору, о которой говорили Эйнштейн и Розен, и которая могла бы существовать в нашей Вселенной. Но эксперимент с телепортацией можно считать аналогом червоточины в их виртуальной системе, ведь речь идет о том, что поданная с одной стороны "кротовой норы" квантовая информация появилась с другой стороны.

"Удивительно не то, что послание добралось в некоей форме, а то, что оно добралось в правильной последовательности, - написали авторы в своей сопроводительной статье. – Это вполне понятно из гравитационного описания: послание прибывает в другую сторону в полном порядке, потому что оно перемещалось в кротовой норе".

На проведение этого эксперимента ученых вдохновили более ранние исследования, в которых соединилась физика экзотических вселенных и их собственная версия гравитации с более стандартной, и тем не менее, виртуальной квантовой системой. Основная идея состоит в том, что из коллективных свойств простых квантовых частиц, живущих в своеобразном "теневом мире", возникают некие абстрактные варианты пространства-времени. Это похоже на то, как двухмерная голограмма создает иллюзию трехмерного изображения. Такое голографическое "поведение" определяет, как возникающее пространство-время искривляется само в себе, производя эффект гравитации.

Физики пока не знают, как писать квантовые теории возникающих вселенных непосредственно. Но им известно, что такие явления должны находить отражение в физике вышеупомянутого теневого мира. Это значит, что такие гравитационные явления как черные дыры, до сих пор являющиеся загадкой для теоретической физики, а также кротовые норы не противоречат квантовой теории.

Новый эксперимент был проведен по схеме, предложенной в 2017 году физиком из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс, Дэниелом Джафферисом (Daniel Jafferis) и его коллегами. Главное внимание в этой работе было уделено простейшей модели голографического соответствия SYK (названа так по инициалам ее создателей). В такой игрушечной смоделированной вселенной у пространства не три измерения, а только одно.

В своем новом исследовании Джафферис с коллегами смоделировал еще более упрощенную версию такой голограммы, используя квантовые биты (кубиты) процессора Sycamore компании Google. Они рассчитывали, что смоделированные ими квантовые частицы воспроизведут определенные характеристики гравитации в виртуальной вселенной. Но в своей работе они были ограничены возможностями современных квантовых компьютеров. "Нам надо было найти модель, которая как бы сохраняет свойства гравитации, и которую мы могли бы закодировать на квантовом процессоре с ограниченным количеством кубитов, - рассказала Мария Спиропулу. – Мы уменьшили ее до крошечной модели и проверили, чтобы она сохраняла гравитационную динамику".

"До начала работы над проектом не было ясно, сможет ли продемонстрировать это явление система с таким незначительным числом кубитов", - добавил Джафферис.

Некоторые ученые считают, что это направление исследований является многообещающим путем к разработке квантовой теории гравитации для нашей Вселенной. Другие же видят в нем тупик. Проверенная в лаборатории Google теория "имеет лишь очень косвенное отношение к любым возможным теориям квантовой гравитации в нашей Вселенной", - говорит математик из Массачусетского технологического института в Кембридже Питер Шор (Peter Shor).