Для современной физики объединение общей теории относительности и квантовой механики остается «святым граалем». На протяжении десятилетий ученые работали с абстрактными математическими моделями струн и квантовой гравитации, не имея возможности проверить их экспериментально. Однако в недавнем интервью для World Science Festival ведущие физики современности обсудили прорыв: использование квантовых процессоров для моделирования процессов, которые могут связать структуру пространства-времени с квантовой запутанностью.
🌌 Два пророчества Эйнштейна 1935 года 4:15
В 1935 году Альберт Эйнштейн опубликовал две фундаментальные работы, которые на тот момент казались совершенно не связанными друг с другом. Первая, написанная в соавторстве с Подольским и Розеном (EPR), касалась квантовой запутанности. Вторая, в соавторстве с Розеном (ER), описывала мосты в пространстве-времени, известные как кротовые норы.
Как отмечает Джозеф Ликкен, концепция квантовой запутанности описывает ситуацию, когда две системы разделяют общую квантовую информацию. По правилам квантовой механики, эту информацию нельзя скопировать, но можно «разделить» между частицами, даже если они находятся на противоположных концах Вселенной.
[Image of quantum entanglement]
Мария Спиропулу поясняет это на примере спина электрона:
- Спин можно представить как вектор, указывающий «вверх» или «вниз».
- В квантовом мире частица может находиться в суперпозиции — смеси обоих состояний одновременно.
- Если две частицы запутаны, измерение одной мгновенно определяет состояние другой, что Эйнштейн называл «жутким действием на расстоянии».
🌉 Гипотеза ER = EPR: Пустота как связь 19:36
Долгое время мосты Эйнштейна-Розена (ER) считались сугубо математическим артефактом общей теории относительности — решениями уравнений, описывающими два черных холма, чьи внутренние области соединены туннелем. По мнению Даниэля Джаффериса, классические уравнения не позволяли ничему пройти сквозь такой туннель: путешественник неизбежно оказывался в ловушке «зоны невозврата».
Перелом в понимании произошел около десяти лет назад благодаря работам Хуана Малдасены и Леонарда Сасскинда. Они выдвинули гипотезу, что запутанность (EPR) и кротовые норы (ER) — это две стороны одной медали.
«Возможно, это не просто похоже на квантовую телепортацию. Возможно, это и есть квантовая телепортация», — резюмирует суть идеи Джозеф Ликкен.
Эта концепция предполагает, что даже небольшое количество запутанности между частицами можно интерпретировать как крошечную квантовую нить пространства-времени.
🚀 Протокол Джаффериса и «отрицательная энергия» 17:38
Даниэль Джафферис получил премию Breakthrough Prize за обоснование того, как сделать кротовую нору проходимой. По утверждению Джаффериса, для этого требуется импульс отрицательной энергии. В классическом мире это звучит невозможно, но квантовые эффекты позволяют создавать такие всплески.
Механизм работает следующим образом:
- Две системы (или черные дыры) запутываются.
- В левую систему вводится частица (кубит), которая начинает «растворяться» в её степенях свободы.
- Для переноса информации в правую систему совершается классический «телефонный звонок» (передача данных о состоянии).
- Этот акт передачи информации физически создает импульс отрицательной энергии, который открывает вход в кротовую нору и позволяет частице выйти с другой стороны.
💻 Эксперимент на квантовом процессоре Google Sycamore 29:23
Для проверки этих идей группа физиков использовала процессор Google Sycamore. Поскольку моделирование полноценной черной дыры требует огромного количества кубитов, исследователям пришлось упростить математическую модель.
Мария Спиропулу описывает процесс подготовки как сложную оптимизацию:
- Использовался метод градиентного спуска с регуляризацией $L_1$ на нейронной сети для упрощения гамильтониана системы.
- Сложную систему из 210 терминов удалось сжать до программы, работающей всего на 9 кубитах.
- Эксперимент проводился зимой 2020 года на чипе с 72 кубитами, из которых выбрали 9 самых стабильных с уровнем ошибок около 0,3%.
Физики закодировали протокол телепортации и наблюдали за сигналом. По словам Спиропулу, результат был «на грани»: если бы уровень шума был выше всего в 1,5 раза, зафиксировать сигнал было бы невозможно. Тем не менее, данные совпали с теоретическими симуляциями, подтвердив динамику, ожидаемую от проходимой кротовой норы.
⚖️ Поэзия против физики: Реальна ли эта нора? 36:20
Эксперимент вызвал дискуссии в научном сообществе. Критики задаются вопросом: создали ли ученые «настоящую» кротовую нору?
Участники дискуссии предлагают следующие аргументы:
- Аргумент Ликкена: Ученые не «сверлили дыру» в физическом пространстве лаборатории. Они программировали квантовую систему так, чтобы её поведение описывалось уравнениями гравитации.
- Армугмент Спиропулу: Группа успешно завершила протокол телепортации в системе, которая имеет гравитационный дуал. Хотя мы не знаем точно, как выглядит эта дуальная система при малом количестве кубитов, её динамика соответствует голографической интерпретации.
- Аналогия Джаффериса: Подобно тому как волны на воде являются эмерджентным свойством поведения множества молекул, пространство-время может быть эмерджентным свойством квантовой запутанности.
Джозеф Ликкен считает, что это лишь первый «детский шаг». В будущем, с развитием квантовых компьютеров до 50–100 кубитов, классические симуляции станут невозможны, и тогда квантовые процессоры станут единственным инструментом для изучения того, что происходит за горизонтом событий черной дыры.
