Физики наблюдают за динамикой червоточин с помощью квантового компьютера, делая шаг к изучению квантовой гравитации в лаборатории. Ученые впервые разработали квантовый эксперимент, который позволяет им изучать динамику или поведение особого вида теоретической червоточины. Эксперимент позволяет исследователям исследовать связи между теоретическими червоточинами и квантовой физикой, предсказанием так называемой квантовой гравитации. Квантовая гравитация относится к набору теорий, которые пытаются связать гравитацию с квантовой физикой, двумя фундаментальными и хорошо изученными описаниями природы, которые кажутся несовместимыми друг с другом по своей сути. Обратите внимание, что эксперимент не создал настоящую червоточину (разрыв в пространстве и времени, известный как мост Эйнштейна-Розена). «Мы обнаружили квантовую систему, которая демонстрирует ключевые свойства гравитационной червоточины, но при этом достаточно мала для реализации на современном квантовом оборудовании», — говорит Мария Спиропулу, главный исследователь исследовательской программы Управления науки Министерства энергетики США «Квантовые каналы связи для фундаментальной физики». (QCCFP) и профессором физики Шанг-И Чен в Калифорнийском технологическом институте. «Эта работа представляет собой шаг к более крупной программе тестирования физики квантовой гравитации с использованием квантового компьютера. Он не заменяет прямые исследования квантовой гравитации, как другие запланированные эксперименты, которые могут исследовать эффекты квантовой гравитации в будущем с использованием квантового зондирования, но предлагает мощный испытательный стенд для проверки идей квантовой гравитации». Исследование было опубликовано в журнале Nature 1 декабря. Даниэль Джафферис из Гарвардского университета и Александр Злокапа (BS '21), бывший студент бакалавриата Калифорнийского технологического института, который начал работу над этим проектом для своей бакалаврской диссертации вместе со Спиропулу и с тех пор перешел к аспирантуре. школы Массачусетского технологического института являются первыми авторами исследования. Червоточины — это мосты между двумя удаленными регионами в пространстве-времени. Их не наблюдали экспериментально, но ученые теоретизировали об их существовании и свойствах почти 100 лет. В 1935 году Альберт Эйнштейн и Натан Розен описали червоточины как туннели сквозь ткань пространства-времени в соответствии с общей теорией относительности Эйнштейна, которая описывает гравитацию как искривление пространства-времени. Исследователи называют червоточины мостами Эйнштейна-Розена в честь двух физиков, которые их использовали, а сам термин «червоточина» был придуман физиком Джоном Уилером в 1950-х годах. Представление о том, что червоточины и квантовая физика, в частности запутанность (явление, при котором две частицы могут оставаться связанными на огромных расстояниях), могут иметь связь, было впервые предложено в теоретическом исследовании Хуаном Малдасеной и Леонардом Сасскиндом в 2013 году. Физики предположили, что червоточины ( или «ER») были эквивалентны запутанности (также известной как «ЭПР» в честь Альберта Эйнштейна, Бориса Подольского [доктор философии '28] и Натана Розена, которые первыми предложили эту концепцию). По сути, эта работа установила новый вид теоретической связи между мирами гравитации и квантовой физики. «Это была очень смелая и поэтичная идея, — говорит Спиропулу о работе ER = EPR. Позже, в 2017 году, Джафферис вместе со своими коллегами Пингом Гао и Ароном Уоллом распространил идею ER = EPR не только на червоточины, но и на проходные червоточины. Ученые придумали сценарий, в котором отрицательная энергия отталкивания удерживает червоточину открытой достаточно долго, чтобы что-то могло пройти от одного конца к другому. Исследователи показали, что это гравитационное описание проходимой червоточины эквивалентно процессу, известному как квантовая телепортация. В квантовой телепортации, протоколе, который был экспериментально продемонстрирован на больших расстояниях по оптоволокну и по воздуху, информация передается в пространстве с использованием принципов квантовой запутанности. Настоящая работа исследует эквивалентность червоточин с квантовой телепортацией. Команда под руководством Калифорнийского технологического института провела первые эксперименты, проверяющие идею о том, что информация, перемещающаяся из одной точки пространства в другую, может быть описана либо на языке гравитации (червоточины), либо на языке квантовой физики (квантовая запутанность). Ключевое открытие, которое вдохновило на возможные эксперименты, произошло в 2015 году, когда Алексей Китаев из Калифорнийского технологического института, профессор теоретической физики и математики Рональда и Максин Линде, показал, что простая квантовая система может демонстрировать ту же двойственность, которая позже была описана Гао, Джафферисом и Уоллом. что квантовая динамика модели эквивалентна эффектам квантовой гравитации. Эта модель Сачдева-Йе-Китайева, или SYK (названная в честь Китаева и Субира Сачдева и Цзиньу Йе, двух других исследователей, которые работали над ее разработкой ранее) побудила исследователей предположить, что некоторые теоретические идеи о червоточинах можно изучить более глубоко, проводя эксперименты на квантовые процессоры. Развивая эти идеи, в 2019 году Джафферис и Гао показали, что, запутав две модели SYK, исследователи смогут выполнять телепортацию через червоточину и, таким образом, создавать и измерять динамические свойства.