Febbraio 3, 2023

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I fisici simulano un wormhole semplificato che può essere attraversato su un computer quantistico

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L’esistenza di wormhole, che collegano due luoghi nello spazio-tempo, è possibile nella fisica quantistica, perché la fabbricazione di un tale oggetto richiede energia negativa. Recentemente, gli scienziati hanno sviluppato, per la prima volta, un esperimento quantitativo che consente loro di studiare le dinamiche di un tipo specifico di wormhole teorico, un wormhole attraversabile. Questa ricerca è un passo verso lo studio della gravità quantistica in laboratorio, nel tentativo di unificare la fisica quantistica e la teoria della relatività generale di Einstein.

Per comprendere la complessità del nostro universo, i modelli matematici tentano di catturare gli aspetti più importanti di un sistema fisico, ignorando i dettagli complessi e disordinati. L’idea è di bilanciare la risolvibilità con la pertinenza. Sulla base di questo principio, il nuovo studio on Gravità quantisticae, in particolare, il modello Sachdev-Ye-Kitaev (SYK). È un modello nella fisica della materia condensata che descrive la materia senza quasiparticelle, che dovrebbe portare a una migliore comprensione dei materiali altamente correlati, come wormhole.

I wormhole, che collegano due luoghi nello spazio-tempo, sono una possibile soluzione a due equazioni relatività generale Alberto Einstein. Karl Schwarzschild, un fisico tedesco, ha predetto l’esistenza di buchi neri Collegato da un tunnel, il wormhole. Ma quest’ultimo crollerà sotto la “pesantezza” delle informazioni che assorbe buchi nerise non tenuto insieme da materiali esotici con densità di energia negativa previste dalla fisica quantistica.

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Quindi la domanda è qual è la quantità massima di informazioni che può essere contenuta in una regione dello spazio e se può essere completamente trasferita in un’altra regione, attraverso un wormhole. E così via Stephen Hawkingtra le altre cose, ho scoperto che il contenuto informativo di Buco nero dall’area dell’orizzonte degli eventi, non dalle dimensioni di un buco nero. Questa relazione è sintetizzata nell’espressione “It from qubit”, che descrive come la materia (“it”) emerga dall’informazione quantistica (“qubit”), come mostrato da rapporto Google, una delle parti interessate nello studio.

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Indipendentemente dal fatto che esistano o meno, lo studio dei wormhole potrebbe essere la chiave per comprendere la relazione tra informazione e materia che ha afflitto i fisici per decenni. Di recente, un team di fisici di Caltech, Harvard, Fermilab, MIT e Google ha presentato i risultati su una coppia di sistemi quantistici che mostrano un comportamento attraversabile di wormhole.

L’esperimento non ha creato un vero e proprio wormhole, ma consente invece ai ricercatori di sondare le connessioni tra wormhole teorici e fisica quantistica, utilizzando un computer quantistico, una previsione della cosiddetta gravità quantistica. Quest’ultimo tenta di unificare la relatività generale di Einstein, che descrive la gravità come la curvatura e la deformazione dello spazio-tempo stesso, e la teoria quantistica, che governa la dinamica microscopica delle particelle e le loro interazioni. Il loro lavoro è stato pubblicato sulla rivista natura.

“Proviene da un qubit” e gravità quantistica

Come accennato in precedenza, il legame tra informazione quantitativa e materia è un punto cruciale per i ricercatori. Mentre formalizzare una tale relazione è difficile per lo spazio-tempo ordinario, recenti ricerche hanno portato a notevoli progressi in un ipotetico mondo con geometria iperbolica chiamato ” Bancone Ranger Dove la teoria della gravità quantistica è costruita in modo naturale. L’antispazio è una delle soluzioni fondamentali delle equazioni di Einstein. È un tipo speciale di spazio-tempo che, a differenza del normale spazio-tempo in cui viviamo, ha una curvatura negativa costante.

Da ciò deriva l’idea che l’energia repellente negativa manterrebbe un wormhole aperto abbastanza a lungo da far passare qualcosa. I ricercatori mostrano che questa descrizione gravitazionale di un wormhole attraversabile è equivalente a un processo noto come teletrasporto quantistico. Nel teletrasporto quantistico, le informazioni vengono trasmesse attraverso lo spazio utilizzando dei principi Entanglement quantistico.

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Il lavoro attuale esplora quindi questa equivalenza del wormhole con il teletrasporto quantistico. Il team guidato dal Caltech ha condotto i primi esperimenti studiando l’idea che le informazioni, viaggiando da un punto all’altro dello spazio, possano essere descritte sia in termini di gravità (wormholes), sia in termini di fisica quantistica (entanglement quantistico). ).

Processore quantistico e wormhole

Il modello Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) precedentemente menzionato ha portato i ricercatori a suggerire che alcune delle idee teoriche di un wormhole potrebbero essere ulteriormente esplorate sperimentando con processori quantistici.

Dovete sapere che nel 2019 Daniel Jafferis, dell’Università di Harvard, e il suo collega Peng Zhao hanno mostrato che intrecciando due modelli SYK, sarebbe possibile teletrasportare un wormhole, producendo e misurando così le proprietà dinamiche previste dei wormhole attraversabili.

Nel nuovo studio, il team di fisici ha eseguito per la prima volta questo tipo di esperimento. Per fare ciò, ha dovuto prima ridurre il modello SYK a una forma semplificata, utilizzando strumenti di apprendimento automatico su computer convenzionali. Alexander Zlokaba del Massachusetts Institute of Technology di A rapporto : « Abbiamo eseguito una sorta di teletrasporto quantistico equivalente a un wormhole attraversabile in forma gravitazionale. Per fare ciò, abbiamo dovuto semplificare il sistema quantistico al più piccolo esempio che preservi le proprietà della gravità, in modo da poterlo implementare sul processore quantistico Sycamore di Google. ».

In particolare, nell’esperimento, i ricercatori hanno inserito un qubit – l’equivalente quantistico di un bit nei computer convenzionali basati su silicio – in uno dei sistemi simili a SYK e hanno osservato che le informazioni apparivano nell’altro sistema. Le informazioni vengono trasmesse da un sistema quantistico a un altro attraverso Teletrasporto quantico Oppure, nel contesto della gravità quantistica, l’informazione quantistica è passata attraverso un wormhole attraversabile.

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Rappresentazione grafica di un wormhole che può essere attraversato in un processore quantistico. Il qubit viene trasmesso utilizzando lo stesso meccanismo microscopico di teletrasporto quantistico visto in un wormhole attraversabile. Il qubit è qui visualizzato come una funzione d’onda e lo spazio-tempo come tessuto da un diagramma circuitale quantistico. © inqnet/a. Mueller

risultati aspettati

In questo studio, i fisici riportano il comportamento atteso del wormhole dal punto di vista della teoria gravitazionale e della fisica quantistica. In effetti, il team ha tentato di “aprire il wormhole” utilizzando impulsi di energia repulsiva negativa o l’energia positiva opposta. Notano le firme chiave di un wormhole attraversabile solo quando viene applicato l’equivalente di energia negativa, il che è coerente con il comportamento previsto del wormhole.

Maria Spiropolou, Principal Investigator del Quantum Communication Channels Research Program for Fundamental Physics (QCCFP) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, osserva: La precisione del processore quantistico che abbiamo utilizzato è stata un fattore chiave. Se i tassi di errore fossero superiori del 50%, il segnale sarebbe completamente bloccato. Se fossero la metà, avremmo un segnale 10 volte maggiore ».

In futuro, i ricercatori sperano di estendere questo lavoro a circuiti quantistici più complessi. Sebbene i computer quantistici ampiamente utilizzabili non siano ancora disponibili, il team prevede di continuare a eseguire esperimenti di questo tipo sulle piattaforme di calcolo quantistico esistenti.

Spiropolo conclude: La relazione tra entanglement quantistico, spazio-tempo e gravità quantistica è una delle questioni più importanti della fisica fondamentale e un’area attiva della ricerca teorica. Siamo entusiasti di fare questo piccolo passo per testare queste idee su dispositivi quantistici e continueremo a farlo ».

fonte : natura