"Мы нашли квантовую систему, которая обладает ключевыми свойствами гравитационной червоточины, но при этом достаточно мала, чтобы ее можно было реализовать на современном квантовом оборудовании", - говорит Мария Спиропулу, главный исследователь программы квантовых каналов связи для фундаментальной физики Министерства энергетики США (QCCFP) и проекта Shang-Yi Ch- Профессор физики в Калифорнийском технологическом институте. "Эта работа представляет собой шаг к более масштабной программе тестирования физики квантовой гравитации с использованием квантового компьютера. Это не заменяет прямых исследований квантовой гравитации таким же образом, как другие запланированные эксперименты, которые могли бы исследовать эффекты квантовой гравитации в будущем с использованием квантового зондирования, но это действительно предлагает мощный испытательный стенд для реализации идей квантовой гравитации ".

Исследование будет опубликовано 1 декабря в журнале Природа. Первыми авторами исследования являются Дэниел Джафферис из Гарвардского университета и Александр Злокапа (BS '21), бывший студент Калифорнийского технологического института, который начал работать над этим проектом для своей бакалаврской диссертации со Спиропулу и с тех пор перешел в аспирантуру Массачусетского технологического института.

Червоточины - это мосты между двумя удаленными областями в пространстве-времени. Они не наблюдались экспериментально, но ученые строили теории об их существовании и свойствах почти 100 лет. В 1935 году Альберт Эйнштейн и Натан Розен описали червоточины как туннели в ткани 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, в то время как сам термин "червоточина" был введен физиком Джоном Уилером в 1950-х годах.

Идея о том, что червоточины и квантовая физика, в частности запутанность (явление, при котором две частицы могут оставаться связанными на огромных расстояниях), могут иметь связь, была впервые предложена в теоретическом исследовании Хуана Малдасены и Леонарда Сасскинда в 2013 году. Физики предположили, что червоточины (или "ER") эквивалентны запутанности (также известной как "EPR" в честь Альберта Эйнштейна, Бориса Подольского [PhD '28] и Натана Розена, который первым предложил 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 Пинг Гао и Ароном Уоллом расширили идею ER = EPR не только на червоточины, но и на проходимые червоточины. Ученые придумали сценарий, в котором отрицательная энергия отталкивания удерживает червоточину открытой достаточно долго, чтобы что-то могло пройти через нее с одного конца на другой. Исследователи показали, что это гравитационное описание проходимой червоточины эквивалентно процессу, известному как квантовая телепортация. В квантовой телепортации, протоколе, который был экспериментально продемонстрирован на большие расстояния по оптическому волокну и по воздуху, информация передается через пространство с использованием принципов квантовой запутанности.

В настоящей работе исследуется эквивалентность червоточин квантовой телепортации. Команда, возглавляемая Калифорнийским технологическим институтом, провела первые эксперименты, которые проверяют 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, вдохновившее 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, позже описанную Гао, Джафферисом и Уоллом, так что квантовая динамика модели эквивалентна эффекты квантовой гравитации. Эта модель Сачдева-Йе-Китаева, или SYK (названная в честь Китаева и Субира Сачдева и Джинву Йе, двух других исследователей, которые ранее работали над ее разработкой), привела исследователей к предположению, что некоторые теоретические идеи червоточин можно было бы изучить более глубоко, проводя эксперименты на квантовых процессорах.

Развивая эти идеи, в 2019 году Джафферис и Гао показали, что, объединив две модели SYK, исследователи должны иметь возможность осуществлять телепортацию через червоточины и, таким образом, создавать и измерять динамические свойства, ожидаемые от проходимых червоточин.

В новом исследовании команда физиков впервые провела эксперимент такого типа. Они использовали "детскую" модель, подобную SYK, подготовленную для сохранения гравитационных свойств, и наблюдали динамику червоточины на квантовом устройстве Google, а именно на квантовом процессоре Sycamore. Чтобы достичь этого, команде пришлось сначала привести модель SYK к упрощенной форме, чего они добились, используя инструменты машинного обучения на обычных компьютерах.

"Мы использовали методы обучения, чтобы найти и подготовить простую квантовую систему, подобную SYK, которая могла бы быть закодирована в современных квантовых архитектурах и которая сохранила бы гравитационные свойства", - говорит Спиропулу. "Другими словами, мы упростили микроскопическое описание квантовой системы SYK и изучили полученную эффективную модель, которую мы нашли на квантовом процессоре. Любопытно и удивительно, как оптимизация по одной характеристике модели сохранила другие показатели! У нас есть планы провести дополнительные тесты, чтобы лучше понять саму модель".

В ходе эксперимента исследователи вставили кубит - квантовый эквивалент бита в обычных компьютерах на основе кремния - в одну из своих SYK-подобных систем и наблюдали, как информация поступает из другой системы. Информация перемещалась из одной квантовой системы в другую посредством квантовой телепортации - или, говоря на дополнительном языке гравитации, квантовая информация проходила через проходимую червоточину.

"Мы выполнили своего рода квантовую телепортацию, эквивалентную проходимой червоточине в гравитационной картине. Чтобы сделать это, нам пришлось упростить квантовую систему до наименьшего примера, который сохраняет гравитационные характеристики, чтобы мы могли реализовать ее на квантовом процессоре Sycamore в Google", - говорит Злокапа.

Соавтор Саманта Дэвис, аспирантка Калифорнийского технологического института, добавляет: "Потребовалось действительно много времени, чтобы прийти к результатам, и мы сами удивились результату".

"Краткосрочное значение такого рода экспериментов заключается в том, что гравитационная перспектива обеспечивает простой способ понять загадочный квантовый феномен многих частиц", - говорит Джон Прескилл, профессор теоретической физики имени Ричарда П. Фейнмана в Калифорнийском технологическом институте и директор Института квантовой информации и материи (IQIM). "Что я нашел интересным в этом новом эксперименте Google, так это то, что с помощью машинного обучения они смогли сделать систему достаточно простой для моделирования на существующей квантовой машине, сохраняя при этом разумную карикатуру на то, что предсказывает гравитационная картина".

В исследовании физики сообщают о поведении червоточины, ожидаемом как с точки зрения гравитации, так и с точки зрения квантовой физики. Например, в то время как квантовая информация может быть передана через устройство или телепортирована различными способами, было показано, что экспериментальный процесс эквивалентен, по крайней мере в некоторых отношениях, тому, что могло бы произойти, если бы информация проходила через червоточину. Чтобы сделать это, команда попыталась "открыть червоточину", используя импульсы либо отрицательной энергии отталкивания, либо противоположной, положительной энергии. Они наблюдали ключевые сигнатуры проходимой червоточины только тогда, когда был применен эквивалент отрицательной энергии, что согласуется с ожидаемым поведением червоточин.

"Высокая точность квантового процессора, который мы использовали, была очень важна", - говорит Спиропулу. "Если бы частота ошибок была выше на 50 процентов, сигнал был бы полностью затемнен. Если бы они были вдвое меньше, у нас был бы сигнал в 10 раз больше!"?

В будущем исследователи надеются распространить эту работу на более сложные квантовые схемы. Хотя до настоящих квантовых компьютеров, возможно, еще много лет, команда планирует продолжать проводить эксперименты такого рода на существующих платформах квантовых вычислений.

"Взаимосвязь между квантовой запутанностью, пространством-временем и квантовой гравитацией является одним из наиболее важных вопросов фундаментальной физики и активной областью теоретических исследований", - говорит Спиропулу. "Мы рады сделать этот маленький шаг к тестированию этих идей на квантовом оборудовании и будем продолжать в том же духе".

Исследование под названием "Динамика проходимых червоточин на квантовом процессоре" финансировалось Научным управлением Министерства энергетики США в рамках исследовательской программы QCCFP. Среди других авторов: Джозеф Ликкен из Fermilab; Дэвид Колчмейер, ранее работавший в Гарварде, а ныне постдок Массачусетского технологического института; Николай Лаук, ранее постдок Калифорнийского технологического института; и Хартмут Невен из Google.

Более подробную информацию можно найти на веб-сайте Альянса квантовых технологий: https://inqnet.caltech.edu/wormhole2022/