Σε ένα πείραμα που σημειώνει τα περισσότερα από τα μυστήρια στη σύγχρονη φυσική, μια ομάδα ερευνητών ανακοίνωσε την Τετάρτη ότι προσομοίωσαν ένα ζευγάρι μαύρων τρυπών σε έναν κβαντικό υπολογιστή και έστειλαν ένα μήνυμα μεταξύ τους μέσω μιας συντόμευσης στον χωροχρόνο που ονομάζεται σκουληκότρυπα.

Οι φυσικοί περιέγραψαν το επίτευγμα ως ένα ακόμη μικρό βήμα στην προσπάθεια κατανόησης της σχέσης μεταξύ της βαρύτητας, που διαμορφώνει το σύμπαν, και της κβαντικής μηχανικής, που διέπει το υποατομικό βασίλειο των σωματιδίων.

«Αυτό είναι σημαντικό γιατί αυτό που έχουμε εδώ στην κατασκευή και τη δομή του είναι μια σκουληκότρυπα μωρού», δήλωσε η Maria Spiropulu, φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια και επικεφαλής μιας κοινοπραξίας που ονομάζεται Quantum Communication Channels for Fundamental Physics, η οποία διεξήγαγε την έρευνα. . «Και ελπίζουμε ότι μπορούμε να φτιάξουμε σκουληκότρυπες για ενήλικες και σκουληκότρυπες μικρών παιδιών βήμα-βήμα».

Στην έκθεσή τους, που δημοσιεύτηκε την Τετάρτη στο Nature, οι ερευνητές περιέγραψαν το αποτέλεσμα με μετρημένα λόγια: «Αυτή η εργασία είναι μια επιτυχημένη προσπάθεια παρατήρησης της δυναμικής της σκουληκότρυπας που διασχίζεται σε ένα πειραματικό περιβάλλον».

Η σκουληκότρυπα που δημιούργησαν και εκμεταλλεύτηκαν η Spiropulu και οι συνάδελφοί της δεν είναι μια σήραγγα μέσω πραγματικού φυσικού χώρου αλλά μάλλον μέσω ενός «αναδυόμενου» δισδιάστατου χώρου. Οι «μαύρες τρύπες» δεν ήταν πραγματικές που θα μπορούσαν να καταπιούν τον υπολογιστή, αλλά γραμμές κώδικα σε έναν κβαντικό υπολογιστή. Αυστηρά μιλώντας, τα αποτελέσματα ισχύουν μόνο για ένα απλοποιημένο «μοντέλο παιχνιδιών» ενός σύμπαντος – συγκεκριμένα, ένα που μοιάζει με ολόγραμμα, με κβαντικά πεδία στην άκρη του χωροχρόνου που καθορίζουν τι συμβαίνει μέσα, κάπως με τον τρόπο που η ετικέτα σε ένα κουτάκι σούπας περιγράφει το περιεχόμενο.

Για να είμαστε ξεκάθαροι: Τα αποτελέσματα αυτού του πειράματος δεν προσφέρουν την προοπτική σύντομα, αν ποτέ, για ένα κοσμικό μετρό μέσω του οποίου θα περιπλανηθείτε στον γαλαξία όπως η Τζόντι Φόστερ στην ταινία «Επαφή» ή ο Μάθιου ΜακΚόναχι στο «Interstellar».

«Υποθέτω ότι η βασική ερώτηση, που ίσως είναι δύσκολο να απαντηθεί, είναι: Λέμε από την προσομοίωση ότι είναι μια πραγματική μαύρη τρύπα;» είπε ο Daniel Jafferis, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. «Μου αρέσει κάπως ο όρος «αναδυόμενη μαύρη τρύπα»».

Και πρόσθεσε: «Απλώς χρησιμοποιούμε τον κβαντικό υπολογιστή για να μάθουμε πώς θα ήταν και πώς θα ήταν αν βρισκόσασταν σε αυτή τη βαρυτική κατάσταση». Αυτός και ο Alexander Zlokapa, διδακτορικός φοιτητής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, είναι οι κύριοι συγγραφείς της εργασίας.

Οι φυσικοί αντέδρασαν στο έγγραφο με ενδιαφέρον και προσοχή, εκφράζοντας ανησυχία ότι το κοινό και τα μέσα ενημέρωσης θα πίστευαν εσφαλμένα ότι είχαν δημιουργηθεί πραγματικές φυσικές σκουληκότρυπες.

«Το πιο σημαντικό πράγμα που θα ήθελα να καταλάβουν οι αναγνώστες των New York Times είναι αυτό», έγραψε σε ένα email ο Scott Aaronson, ειδικός στους κβαντικούς υπολογιστές στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν. «Αν αυτό το πείραμα έχει φέρει μια σκουληκότρυπα στην πραγματική φυσική ύπαρξη, τότε θα μπορούσε να γίνει ισχυρή υπόθεση ότι και εσείς, φέρνετε μια σκουληκότρυπα στην πραγματική φυσική ύπαρξη κάθε φορά που σχεδιάζετε μια σκουληκότρυπα με στυλό και χαρτί».

Ο Daniel Harlow, ένας φυσικός στο MIT που δεν συμμετείχε στο πείραμα, σημείωσε ότι το πείραμα βασίστηκε σε ένα μοντέλο κβαντικής βαρύτητας που ήταν τόσο απλό και μη ρεαλιστικό, που θα μπορούσε εξίσου να είχε μελετηθεί χρησιμοποιώντας μολύβι και χαρτί.

«Οπότε θα έλεγα ότι αυτό δεν μας διδάσκει τίποτα για την κβαντική βαρύτητα που δεν γνωρίζαμε ήδη», έγραψε ο Χάρλοου σε ένα email. «Από την άλλη πλευρά, νομίζω ότι είναι συναρπαστικό ως τεχνικό επίτευγμα, γιατί αν δεν μπορούμε καν να το κάνουμε αυτό (και μέχρι τώρα δεν μπορούσαμε), τότε η προσομοίωση πιο ενδιαφέρων θεωριών κβαντικής βαρύτητας σίγουρα θα ήταν εκτός πίνακα». Η ανάπτυξη υπολογιστών αρκετά μεγάλων για να γίνει αυτό μπορεί να διαρκέσει 10 ή 15 χρόνια, πρόσθεσε.

Ο Leonard Susskind, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ που δεν ήταν μέλος της ομάδας, συμφώνησε. «Μαθαίνουν ότι θα μπορούσαν να κάνουν αυτό το πείραμα», είπε, προσθέτοντας: «Το πραγματικά ενδιαφέρον πράγμα εδώ είναι η δυνατότητα ανάλυσης καθαρά κβαντικών φαινομένων χρησιμοποιώντας τη γενική σχετικότητα και ποιος ξέρει πού θα πάει αυτό».

Τα δύο πρόσωπα του Αϊνστάιν

Οι σκουληκότρυπες μπήκαν στο λεξικό της φυσικής το 1935 ως μια από τις πιο περίεργες προβλέψεις της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, η οποία περιγράφει πώς η ύλη και η ενέργεια παραμορφώνουν το διάστημα για να δημιουργήσουν αυτό που ονομάζουμε βαρύτητα. Εκείνο το έτος, ο Αϊνστάιν και ο συνάδελφός του, Νέιθαν Ρόζεν, έδειξαν σε μια εφημερίδα ότι θα μπορούσαν να υπάρχουν συντομεύσεις μέσω του χωροχρόνου, που συνδέουν ζεύγη μαύρων τρυπών. Ο φυσικός John Wheeler ονόμασε αργότερα αυτούς τους συνδετήρες “σκουληκότρυπες”.

Αρχικά φαινόταν ότι οι σκουληκότρυπες ήταν ουσιαστικά άχρηστες. Η θεωρία υποστήριζε ότι θα έκλειναν με σφοδρότητα τη στιγμή που οτιδήποτε έμπαινε μέσα τους. Δεν έχουν παρατηρηθεί ποτέ εκτός επιστημονικής φαντασίας.

Ένα μήνα νωρίτερα την ίδια χρονιά, το 1935, ο Αϊνστάιν, ο Ρόζεν και ο Μπόρις Ποντόλσκι έκαναν άλλη μια σημαντική ανακάλυψη, που πίστευαν ότι θα δυσφημούσε την τυχαία φύση της κβαντικής μηχανικής. Τόνισαν ότι οι κβαντικοί κανόνες επέτρεπαν αυτό που ο Αϊνστάιν αποκαλούσε «απόκοσμη δράση σε απόσταση». Η μέτρηση ενός από ένα ζευγάρι σωματιδίων θα καθόριζε τα αποτελέσματα της μέτρησης του άλλου σωματιδίου, ακόμα κι αν τα δύο απέχουν έτη φωτός μεταξύ τους. Ο Αϊνστάιν θεώρησε ότι αυτή η πρόβλεψη ήταν παράλογη, αλλά οι φυσικοί τώρα την αποκαλούν «μπλέξιμο» και τη χρησιμοποιούν καθημερινά στο εργαστήριο.

Μέχρι πριν από λίγα χρόνια, τέτοια κβαντικά κόλπα δεν πίστευαν ότι είχαν καμία σχέση με τη βαρύτητα. Ως αποτέλεσμα, οι φυσικοί δεν έμειναν χωρίς θεωρία της «κβαντικής βαρύτητας» για να εξηγήσουν τι συνέβη όταν τα βασίλεια του εσωτερικού και του εξώτερου διαστήματος συγκρούστηκαν, όπως στη Μεγάλη Έκρηξη ή μέσα στις μαύρες τρύπες.

Αλλά το 2013, ο Juan Maldacena, ένας θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον του Νιου Τζέρσεϋ και ο Σούσκιντ πρότειναν ότι αυτά τα δύο φαινόμενα –απόκοσμη δράση και σκουληκότρυπες– ήταν στην πραγματικότητα δύο όψεις του ίδιου νομίσματος, το καθένα περιγράφεται με διαφορετικό αλλά συμπληρωματική μαθηματική γλώσσα.

Αυτά τα τρομακτικά, μπερδεμένα σωματίδια, με αυτή τη λογική, συνδέονταν με εξίσου μυστηριώδεις σκουληκότρυπες. Η κβαντομηχανική θα μπορούσε να επιστρατευτεί για τη μελέτη της βαρύτητας και το αντίστροφο. Οι εξισώσεις που περιγράφουν τα κβαντικά φαινόμενα αποδείχθηκε ότι έχουν ανάλογα στις εξισώσεις του Αϊνστάιν για τη βαρύτητα.

«Είναι κυρίως θέμα γούστου ποια περιγραφή θα χρησιμοποιήσετε γιατί δίνουν ακριβώς την ίδια απάντηση», είπε ο Τζαφέρης. «Και αυτή ήταν μια απίστευτη ανακάλυψη».

Καταπακτές διαφυγής

Το πρόσφατο πείραμα σκουληκότρυπας προσπάθησε να χρησιμοποιήσει τα μαθηματικά της γενικής σχετικότητας για να εξετάσει μια πτυχή της κβαντικής μαγείας, γνωστή ως κβαντική τηλεμεταφορά, για να δει αν θα μπορούσε να αποκαλυφθεί κάποια νέα πτυχή της φυσικής ή της βαρύτητας.

Στην κβαντική τηλεμεταφορά, οι φυσικοί χρησιμοποιούν ένα σύνολο κβαντικών χειρισμών για να στείλουν πληροφορίες μεταξύ δύο σωματιδίων – ίντσες ή μίλια μεταξύ τους – που είναι μπλεγμένα σε ένα ζευγάρι, χωρίς οι φυσικοί να γνωρίζουν ποιο είναι το μήνυμα. Η τεχνολογία αναμένεται να είναι η καρδιά ενός «κβαντικού διαδικτύου» επόμενης γενιάς, που δεν μπορεί να παραβιαστεί.

Στους φυσικούς αρέσει να συγκρίνουν τη διαδικασία της τηλεμεταφοράς με δύο φλιτζάνια τσάι. Ρίξτε έναν κύβο ζάχαρης σε ένα φλιτζάνι τσαγιού και διαλύεται αμέσως – μετά, μετά από ένα τικ του κβαντικού ρολογιού, ο κύβος εμφανίζεται ξανά άθικτος στο άλλο φλιτζάνι τσαγιού.

Το πείραμα έγινε κατανοητό μετά από ένα ζευγάρι εργασιών από τον Susskind και, ανεξάρτητα, από τον Jafferis, τον Ping Gao του MIT, και τον Aron Wall, έναν θεωρητικό φυσικό στο Πανεπιστήμιο του Cambridge. Πρότειναν έναν τρόπο με τον οποίο οι σκουληκότρυπες θα μπορούσαν να γίνουν διασχίσιμες. Αυτό που χρειαζόταν, είπε ο Γκάο και οι συνεργάτες του, ήταν μια μικρή δόση αρνητικής ενέργειας στο άκρο εξόδου της σκουληκότρυπας για να ανοίξει η καταπακτή αρκετά για να διαφύγουν οι πληροφορίες.

Στην κλασική φυσική, δεν υπάρχει αρνητική ενέργεια. Αλλά στην κβαντική θεωρία, η ενέργεια μπορεί να είναι αρνητική, δημιουργώντας ένα αντιβαρυτικό αποτέλεσμα. Για παράδειγμα, τα λεγόμενα εικονικά σωματίδια, τα οποία πετάνε μέσα και έξω από την ύπαρξη χρησιμοποιώντας ενέργεια δανεισμένη από τον κενό χώρο, μπορούν να πέσουν σε μια μαύρη τρύπα, μεταφέροντας ένα χρέος στη φύση με τη μορφή ενέργειας που η μαύρη τρύπα πρέπει στη συνέχεια να αποπληρώσει. Αυτή η αργή διαρροή, υπολόγισε ο Stephen Hawking το 1974, κάνει τη μαύρη τρύπα να χάσει ενέργεια και να συρρικνωθεί.

Όταν η Spiropulu πρότεινε να προσπαθήσουμε να ξαναδημιουργήσουμε αυτή τη μαγεία της σκουληκότρυπας σε έναν κβαντικό υπολογιστή, οι συνάδελφοί της και οι χορηγοί της στο Υπουργείο Ενέργειας «νόμισαν ότι ήμουν εντελώς τρελή», θυμάται. «Αλλά ο Τζαφέρης είπε, «Ας το κάνουμε»».

Αξιοποίηση της αβεβαιότητας

Σε συνηθισμένους υπολογιστές, συμπεριλαμβανομένου του τηλεφώνου στην τσέπη σας, το νόμισμα υπολογισμού είναι bit, που μπορεί να είναι ένα ή μηδενικό. Οι κβαντικοί υπολογιστές λειτουργούν με qubits, τα οποία μπορεί να είναι μηδέν ή ένα ή οπουδήποτε στο ενδιάμεσο μέχρι να μετρηθούν ή να παρατηρηθούν. Αυτό καθιστά τους κβαντικούς υπολογιστές εξαιρετικά ισχυρούς για ορισμένα είδη εργασιών, όπως η παραγοντοποίηση μεγάλων αριθμών και (ίσως μια μέρα) σπάσιμο κρυπτογραφικών κωδίκων. Στην ουσία, ένας κβαντικός υπολογιστής εκτελεί όλες τις πιθανές παραλλαγές του προγράμματος ταυτόχρονα για να καταλήξει σε μια λύση.

«Κάνουμε την αβεβαιότητα σύμμαχο και την αγκαλιάζουμε», είπε ο Spiropulu.

Για να αξιοποιήσουν πλήρως τις δυνατότητές τους, οι κβαντικοί υπολογιστές θα χρειαστούν χιλιάδες λειτουργικά qubits και 1 εκατομμύριο επιπλέον qubits «διόρθωσης σφαλμάτων». Η Google ελπίζει να πετύχει έναν τέτοιο στόχο μέχρι το τέλος της δεκαετίας, σύμφωνα με τον Hartmut Neven, επικεφαλής του εργαστηρίου Quantum Artificial Intelligence της εταιρείας στη Βενετία της Καλιφόρνια, ο οποίος είναι επίσης στην ομάδα του Spiropulu.

Ο φυσικός του Caltech και νομπελίστας Richard Feynman προέβλεψε κάποτε ότι η τελική χρήση αυτής της κβαντικής δύναμης μπορεί να είναι η διερεύνηση της ίδιας της κβαντικής φυσικής, όπως στο πείραμα της σκουληκότρυπας.

«Είμαι ενθουσιασμένος που βλέπω ότι οι ερευνητές μπορούν να πραγματοποιήσουν το όνειρο του Feynman», είπε ο Neven.

Το πείραμα της σκουληκότρυπας πραγματοποιήθηκε σε μια έκδοση του υπολογιστή Sycamore 2 της Google, η οποία έχει 72 qubits. Από αυτά, η ομάδα χρησιμοποίησε μόνο εννέα για να περιορίσει την ποσότητα παρεμβολών και θορύβου στο σύστημα. Δύο ήταν qubits αναφοράς, τα οποία έπαιξαν το ρόλο της εισόδου και της εξόδου στο πείραμα.

Τα άλλα επτά qubits είχαν τα δύο αντίγραφα του κώδικα που περιγράφουν μια «αραιωμένη» έκδοση ενός ήδη απλού μοντέλου ενός ολογραφικού σύμπαντος που ονομάζεται SYK, που πήρε το όνομά του από τους τρεις δημιουργούς του: Subir Sachdev του Χάρβαρντ, Jinwu Ye του Πολιτειακού Πανεπιστημίου του Μισισιπή και Alexei Kitaev του Caltech. . Και τα δύο μοντέλα SYK συσκευάστηκαν στα ίδια επτά qubits. Στο πείραμα, αυτά τα συστήματα SYK έπαιξαν το ρόλο δύο μαύρων τρυπών, η μία ανακατεύοντας το μήνυμα σε ανοησία –το κβαντικό ισοδύναμο του να το καταπιείς– και, στη συνέχεια, το άλλο βγάζοντάς το ξανά έξω.

«Σε αυτό ρίχνουμε ένα qubit», είπε ο Joseph Lykken, επικεφαλής του Fermilab Quantum Institute και συγγραφέας στο έγγραφο Nature. Αναφερόταν στο μήνυμα εισόδου – το κβαντικό ανάλογο μιας σειράς μονάδων και μηδενικών. Αυτό το qubit αλληλεπιδρά με το πρώτο αντίγραφο του qubit SYK. Το νόημά του ανακατεύτηκε σε τυχαίο θόρυβο και εξαφανίστηκε.

Στη συνέχεια, σε ένα τικ του κβαντικού ρολογιού, τα δύο συστήματα SYK συνδέθηκαν και ένα σοκ αρνητικής ενέργειας πήγε από το πρώτο σύστημα στο δεύτερο, αφήνοντας για λίγο ανοιχτό το τελευταίο.

Στη συνέχεια, το σήμα επανεμφανίστηκε στην αρχική του μη κωδικοποιημένη μορφή – στο ένατο και τελευταίο qubit, συνδεδεμένο με το δεύτερο σύστημα SYK, το οποίο αντιπροσώπευε το άλλο άκρο της σκουληκότρυπας.

Μια ένδειξη ότι οι ερευνητές κατέγραφαν στην πραγματικότητα συμπεριφορά «σαν σκουληκότρυπα», είπε ο Lykken, ήταν ότι τα σήματα αναδύονταν από το άλλο άκρο της σκουληκότρυπας με τη σειρά που μπήκαν μέσα.

Σε ένα άρθρο του Nature που συνοδεύει την εργασία του Jafferis, ο Susskind και ο Adam Brown, ένας φυσικός στο Stanford, σημείωσαν ότι τα αποτελέσματα μπορεί να ρίξουν φως σε μερικές ακόμα μυστηριώδεις πτυχές της συνηθισμένης κβαντικής μηχανικής. Για παράδειγμα, αφού ο κύβος ζάχαρης διαλύεται στο πρώτο φλιτζάνι τσαγιού, γιατί επανεμφανίζεται στο άλλο φλιτζάνι στην αρχική του μορφή;

«Η έκπληξη δεν είναι ότι το μήνυμα πέρασε με κάποια μορφή, αλλά ότι το πέρασε χωρίς κρυπτογράφηση», έγραψαν οι δύο συγγραφείς.

Η πιο εύκολη εξήγηση, πρόσθεσαν, είναι ότι το μήνυμα πέρασε από μια σκουληκότρυπα, αν και «πολύ σύντομη», είπε ο Lykken σε μια συνέντευξη. Στην κβαντομηχανική, το μικρότερο δυνατό μήκος στη φύση είναι 10-33 εκατοστά, το λεγόμενο μήκος Planck. Ο Lykken υπολόγισε ότι η σκουληκότρυπα τους είχε μήκος ίσως μόνο τρία Planck.

«Είναι η μικρότερη, πιο σκληρή σκουληκότρυπα που μπορείς να φανταστείς να κάνεις», είπε. «Αλλά αυτό είναι πολύ ωραίο γιατί τώρα κάνουμε ξεκάθαρα κβαντική βαρύτητα».

Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στους New York Times.