Физики впервые смогли смоделировать проходимую кротовую нору на квантовом компьютере, объединив общую теорию относительности и квантовую механику в рамках уникального экспериментального исследования. Проект, реализованный на передовом квантовом процессоре Google, позволил экспериментально проиллюстрировать знаменитую теоретическую гипотезу о тождестве квантовой запутанности и пространственно-временных мостов. Авторы видеоканала Quanta Magazine подробно разбирают, как это фундаментальное достижение приближает науку к созданию полноценной теории квантовой гравитации.
🌌 Исторические корни: две теории Альберта Эйнштейна 0:58
История этого открытия началась в 1935 году, когда Альберт Эйнштейн в соавторстве с Натаном Розеном опубликовал фундаментальную работу, в которой впервые появились так называемые «мосты Эйнштейна — Розена». Эти структуры представляют собой математические решения уравнений общей теории относительности, которые связывают две изначально разъединенные области пространства-времени. Физики называют их кротовыми норами (или червоточинами). Однако классическая кротовая нора Эйнштейна — Розена обладает критическим недостатком: она принципиально непроходима. Подобный пространственный проход крайне нестабилен — он открывается и закрывается настолько хаотично и быстро, что его невозможно использовать для перемещения объектов. Сам Эйнштейн был глубоко разочарован этим свойством, ведь какой толк от космического моста, если через него ничего нельзя пропустить. Причина такой нестабильности крылась в том, что великий физик не учитывал законы квантовой механики.
В том же 1935 году Эйнштейн совместно с Борисом Подольским и Натаном Розеном выпустил другую знаменитую статью, известную как ЭПР-парадокс (EPR). Эта работа была посвящена феномену квантовой запутанности, который сам Эйнштейн иронично назвал «жутким действием на расстоянии». Суть запутанности заключается в том, что субатомные частицы могут становиться партнерами: даже если разнести их на противоположные концы Вселенной, они сохраняют общую информацию. Измеряя состояние одной частицы, ученый мгновенно узнает состояние другой. По причине своей нелюбви к квантовой механике Эйнштейн долгое время не мог примирить квантовую физику с гравитацией, и эта дилемма оставалась главным вызовом для научного сообщества на протяжении многих десятилетий. На протяжении долгого времени никто даже не предполагал, что эти две абсолютно разные работы 1935 года имеют между собой хоть какую-то глубинную связь, кроме общих авторов.
🔄 Прорыв 2013 года: великое объединение ER = EPR 3:31
Ситуация в фундаментальной науке кардинально изменилась в 2013 году, когда физики Хуан Мальдасена и Леонард Сасскинд выдвинули смелую и неожиданную гипотезу: ER = EPR. Они заявили, что кротовые норы (ER) и квантовая запутанность (EPR) — это фактически одно и то же явление, описанное разными языками. В физике подобное переосмысление одних и тех же процессов называют дуальностью.
[Image diagram of ER equals EPR holographic duality relating quantum entanglement to gravity]
Базовая концепция новой теории утверждает:
- При возникновении квантовой запутанности между двумя черными дырами между ними неизбежно формируется соединяющая их кротовая нора.
- В упрощенном понимании этот тезис можно сформулировать как равенство гравитации и квантовой механики.
- Подобный подход формирует наглядную и рабочую картину квантовой гравитации.
Наличие так называемого «словаря дуальности» позволяет исследователям сопоставлять сложные гравитационные феномены с процессами в обычной квантовой физике. По словам авторов, изучение физики под двумя разными углами является наиболее конкретным и перспективным путем к построению единой квантово-гравитационной теории. Поскольку провести прямой эксперимент внутри реальной черной дыры физически невозможно, ученые задались вопросом: можно ли создать в лаборатории такую квантовую систему, чье дуальное описание выглядело бы точно как кротовая нора?
⚡ Как сделать пространственный туннель проходимым 5:42
Долгое время идея существования проходимых кротовых нор воспринималась научным сообществом исключительно как экзотическая и маловероятная конфигурация пространства-времени. Однако квантовая механика обладает удивительным свойством — она допускает существование так называемой отрицательной энергии.
Как впервые доказал физик Даниэль Джафферис вместе со своими коллегами, если ввести в теоретическую модель кротовой норы импульс отрицательной энергии (ударную волну), структуру можно стабилизировать и удержать от мгновенного коллапса. Это позволяет физическому объекту войти в один конец туннеля и благополучно выйти с противоположной стороны.
Для экспериментаторов данное теоретическое открытие стало прямым руководством к действию. Исследователи поняли, что для симуляции и манипуляций с подобными сложными квантовыми состояниями в лабораторных условиях необходимо задействовать самую совершенную из доступных технологий — квантовый компьютер.
🤖 Преодоление технологического тупика с помощью нейросетей 8:33
Идея эксперимента заключалась в использовании принципа голографической дуальности для создания квантовой версии гравитационной системы. Ученые планировали взять набор запутанных кубитов и запустить их эволюцию таким образом, чтобы физика процесса полностью соответствовала поведению гравитационной кротовой норы. В такой системе можно было бы напрямую отправить кубит с одной стороны «норы» и зафиксировать его появление на другой. Однако первоначальные расчеты на бумаге показали, что для реализации полноценной теоретической модели физикам потребуется сверхмощный квантовый компьютер, который появится в лучшем случае через 10 лет.
Перед командой встала масштабная техническая проблема, исключающая возможность прямого проведения эксперимента на существующем оборудовании. На помощь пришли современные ИТ-технологии:
- Ученые решили применить метод укрупнения (course braiding), который позволяет сохранить ключевые гравитационные особенности системы, отбросив все второстепенные компоненты.
- Физикам пришла в голову нестандартная идея — переписать уравнения квантовой физики в виде нейронной сети.
- Параметры кротовой норы были представлены в качестве весов искусственной нейросети.
- В качестве обучающего датасета использовалась динамика поведения кротовой норы, которую ученые хотели зафиксировать.
Благодаря переводу физической задачи в плоскость машинного обучения, исходную громоздкую систему, состоящую из 210 сложных членов, удалось радикально сократить. Инструменты ИИ смогли уменьшить модель до «детского» размера, сохранив при этом всю ключевую физику нетронутой. Сжатая схема смогла физически уместиться на криогенном квантовом чипе Google, сделав эксперимент возможным.
🎯 Момент истины: сигнал прошел сквозь «нору» 11:32
Решающий этап эксперимента проходил глубокой ночью, примерно в два часа, когда один из исследователей запускал разработанные квантовые схемы. Главной целью было зафиксировать специфический пик сигнала, который бы означал, что кубит успешно преодолел квантовую кротовую нору. Сначала на экране появился слабый зашумленный пик, который легко можно было принять за обычный аппаратный артефакт. Однако по мере накопления экспериментальных данных сигнал становился все более четким и явным. Стало очевидно: кубиты квантового процессора Google фактически сформировали микроскопический фрагмент дополнительного пространства.
Сам процесс прохождения информации выглядел следующим образом:
- В смоделированную кротовую нору направляется импульс отрицательной энергии, вследствие чего туннель становится проходимым и открывается.
- Кубит вводится с одной стороны импровизированной кротовой норы и оказывается во «внутренней» части туннеля.
- Квантовая информация кубита мгновенно распределяется (размывается) по всей квантовой системе, становясь общей для множества частиц в виде сложной сети квантовой запутанности.
- Затем, непосредственно перед закрытием кротовой норы, информация удивительным образом снова фокусируется в исходное состояние единичного кубита.
- Кубит успешно выходит с противоположной стороны квантовой цепи.
Экспериментаторы признаются, что были поражены результатом, поскольку изначально не верили, что современные технологии позволят пройти этот путь до самого конца и получить реальное физическое воплощение теоретической модели.
🚀 Новые горизонты и будущее фундаментальной физики 13:49
Ученые подчеркивают важный нюанс: если бы в момент эксперимента кто-то заглянул внутрь квантового процессора, он бы не увидел физической ряби или деформации реального пространства-времени в лаборатории. Тем не менее с точки зрения физических законов был зафиксирован эквивалентный процесс, соединяющий квантовую механику и гравитацию. По мнению авторов работы, этот эксперимент служит твердым практическим подтверждением справедливости формулы ER = EPR. С экспериментальной точки зрения это прямой шаг к пониманию того, как квантовая запутанность «сшивает» и удерживает само космическое пространство.
По мере того как инженеры Google будут создавать все более мощные и совершенные квантовые компьютеры, наука войдет в режим, где предсказать результаты экспериментов классическими методами станет в принципе невозможно. Открытие этой двери мотивирует сотни физиков по всему миру писать новые работы и придумывать новые методы исследований. По прогнозам ученых, следующие 20 лет станут эпохой невероятного веселья и прорывов в фундаментальной физике. Новейшие вычислительные платформы позволят исследовать состояния сильно запутанной материи, которые человечество никогда раньше не видело, и найти ответы на вопросы, которые сегодня мы еще даже не способны сформулировать.
