Ученые впервые провели квантовый эксперимент, который позволяет изучать поведение «червоточины». Эксперимент не создал настоящую «червоточину» (мост сквозь пространство-время), но помог исследовать связи между теорией относительности Эйнштейна и квантовой физикой.
«Червоточины» — это теоретическое предсказание из квантовой гравитации. Квантовая гравитация — набор теорий, которые пытаются связать гравитацию (ее эффекты предсказывает теория относительности) с квантовой физикой, двумя фундаментальными и хорошо изученными описаниями природы, которые пока представляются несовместимыми друг с другом. Исследование опубликовано в журнале Nature, об открытии сообщили в Калифорнийском технологическом институте (США).
«Червоточины», или «кротовые норы» — это «волшебные» мосты между двумя очень удаленными точками 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, которые образуются за счет его искривления, создаваемого гравитацией.
Идея о том, что червоточины соотносятся с квантовой запутанностью (явление, при котором две частицы могут оставаться связанными на огромных расстояниях, оно используется в квантовых компьютерах), была предложена Хуаном Малдасеной и Леонардом Сасскиндом в 2013 году. Физики предположили, что червоточины эквивалентны запутанности.
В 2017 году, физик Даниэль Джафферис (один из авторов новой работы) с коллегами придумал сценарий, в котором отрицательная энергия отталкивания удерживает червоточину открытой достаточно долго, чтобы что-то могло пройти от одного ее конца к другому. Исследователи доказали, что это гравитационное описание проходимой червоточины эквивалентно процессу квантовой телепортации, где информация передается в пространстве с использованием принципов квантовой запутанности. То есть получилось, что квантовая телепортация и гравитационная «червоточина» — это одно и то же явление, просто описанное в разных системах, разных «Вселенных» теоретической физики, разными словами и формулами.
Новая работа исследует эквивалентность червоточин и квантовой телепортации экспериментально. Группа физиков наблюдала за динамикой червоточины на квантовом устройстве в Google, а именно на квантовом процессоре Sycamore.
«Мы использовали ИИ, чтобы найти и подготовить простую квантовую систему, которую можно было бы закодировать в современных квантовых архитектурах, но которая сохраняла бы гравитационные свойства», — говорит Мария Спиропулу, главный исследователь.
Упрощение модели «червоточины» потребовалось потому, что современные квантовые компьютеры находятся еще в зачаточном состоянии и полная версия им пока просто не под силу.
В ходе эксперимента исследователи отправили кубит в одну из запутанных квантовых систем и наблюдали, как информация «вылетает» из другой. Информация перемещалась из одной квантовой системы в другую с помощью квантовой телепортации — или, говоря на языке гравитации, проходила через «червоточину». Авторы сообщают о том, что у «червоточины» наблюдалось поведение, ожидаемое как с точки зрения теории гравитации, так и с точки зрения квантовой физики.
Хотя до создания полноценных квантовых компьютеров еще далеко, команда планирует продолжить такого рода эксперименты на существующих платформах.
«Взаимосвязь между квантовой запутанностью, пространством-временем и квантовой гравитацией — один из самых важных вопросов фундаментальной физики и активная область теоретических исследований. Мы рады сделать этот небольшой шаг к практическому тестированию этих идей», — говорит Спиропулу.