Οι σκουληκότρυπες αποκαλύπτουν έναν τρόπο χειραγώγησης πληροφοριών για τη μαύρη τρύπα στο εργαστήριο
Όπως προχωρούν οι πειραματικές προτάσεις, αυτή σίγουρα δεν στερείται φιλοδοξίας. Πρώτα, πάρτε μια μαύρη τρύπα. Τώρα φτιάξτε μια δεύτερη μαύρη τρύπα που είναι κβαντικά μπερδεμένη μαζί της, πράγμα που σημαίνει ότι οτιδήποτε συμβεί σε μια από τις μαύρες τρύπες θα φαίνεται να έχει επίδραση στην άλλη, ανεξάρτητα από το πόσο απέχουν μεταξύ τους.
Τα υπόλοιπα ακούγονται λίγο πιο εύκολα, αλλά πολύ πιο περίεργα. Τροφοδοτήστε κάποιες πληροφορίες στην πρώτη μαύρη τρύπα, κωδικοποιημένη σε ένα κβαντικό σωματίδιο. Καθώς πέφτει πέρα από τον ορίζοντα γεγονότων - το σημείο πέρα από το οποίο δεν μπορεί να διαφύγει ούτε καν το φως - οι πληροφορίες κηλιδώνονται γρήγορα σε όλη τη μαύρη τρύπα και ανακατεύονται φαινομενικά πέρα από την ανάμνηση.
Αλλά έχετε υπομονή – εάν έχετε συνδέσει τις δύο μαύρες τρύπες με τον σωστό τρόπο, μετά από μια σύντομη αναμονή οι κβαντικές πληροφορίες θα βγουν από τη δεύτερη, πλήρως εστιασμένες σε αναγνώσιμη μορφή. Για να φτάσει εκεί, θα έχει ταξιδέψει μέσω μιας συντόμευσης στο χωροχρόνο που συνδέει τα δύο αντικείμενα — μια σκουληκότρυπα.
Αυτό τουλάχιστον έχουν προβλέψει οι φυσικοί. Τώρα μια ομάδα με επικεφαλής τον Sepehr Nezami του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνια πρότεινε πώς να πραγματοποιηθεί πραγματικά αυτό το εξαιρετικό πείραμα — και αρχίζουν να συνεργάζονται με συνεργάτες για να δοκιμάσουν την ιδέα.
Εάν επιβεβαιωθούν οι προβλέψεις, η εργασία μπορεί να προσφέρει ενδείξεις για το πού να αναζητήσετε την πιο άπιαστη θεωρία στη φυσική:μια θεωρία που ενώνει την κβαντική μηχανική με τη θεωρία της γενικής σχετικότητας που περιγράφει τη βαρύτητα. Και, για καλό μέτρο, θα υποστήριζε την ιδέα ότι ο χωροχρόνος δεν είναι το θεμελιώδες σκηνικό πάνω στο οποίο παίζει το σύμπαν, αλλά είναι ο ίδιος υφασμένος από τις διασυνδέσεις μεταξύ των σωματιδίων που περιγράφονται από την κβαντική εμπλοκή.
Ο θάνατος και η ανάσταση των πληροφοριών
Αυτό το πείραμα, όπως ίσως μαντέψατε, δεν απαιτεί μαύρες τρύπες με τη συνήθη έννοια, δηλαδή τεράστια αστέρια που έχουν καταρρεύσει από τη δική τους βαρύτητα σε απειροελάχιστα μικρό όγκο. Οι ερευνητές λένε ότι θα μπορούσε να γίνει σε πάγκο εργαστηρίου χρησιμοποιώντας μόνο λίγα άτομα ή ιόντα. Παρόλα αυτά, η ιδέα προκύπτει από τη θεωρητική έρευνα για τις αστροφυσικές μαύρες τρύπες που αγωνίστηκε να λύσει ένα βαθύ και ανησυχητικό ερώτημα:Μήπως αυτά τα τέρατα που καταβροχθίζουν τα πάντα καταστρέφουν τις πληροφορίες αμετάκλητα;
Πιστεύεται ευρέως ότι οι πληροφορίες, όπως και η ενέργεια, πρέπει να υπακούουν σε έναν κανόνα διατήρησης:Η συνολική ποσότητα πληροφοριών στο σύμπαν θα παραμένει πάντα η ίδια. Αυτό φαίνεται να υπονοεί η κβαντομηχανική:Οι κυματοσυναρτήσεις που περιγράφουν κβαντικές οντότητες εξελίσσονται πάντα ομαλά με τρόπο διατήρησης πληροφοριών και δεν μπορούν να εξαλειφθούν ξαφνικά.
Αλλά οι μαύρες τρύπες φαίνεται να αφαιρούν πληροφορίες από το σύμπαν. Εάν, ας πούμε, ένα κβαντικό bit, ή "qubit", πέσει σε μια μαύρη τρύπα, δεν μπορεί πλέον να παρατηρηθεί έξω από τον ορίζοντα γεγονότων.
Μια πιθανή λύση αυτού του «παραδόξου πληροφοριών για τη μαύρη τρύπα» μπορεί να βρεθεί μέσα στην ακτινοβολία που εκπέμπουν οι μαύρες τρύπες από τους ορίζοντες γεγονότων τους. Η ακτινοβολία Χόκινγκ, που είχε προβλεφθεί από τον Στίβεν Χόκινγκ τη δεκαετία του 1970, θα προκαλέσει απώλεια βαρυτικής ενέργειας - και συνεπώς μάζας από μια μαύρη τρύπα. Στην πραγματικότητα, οι μαύρες τρύπες δεν είναι αιώνιες. Εξατμίζονται αργά.
Ο Χόκινγκ αρχικά πίστευε ότι ακόμη και αν μια μαύρη τρύπα εξατμιζόταν πλήρως, οι πληροφορίες που είχε καταναλώσει θα παρέμεναν χαμένες για πάντα. Αλλά μια ιδέα γνωστή ως αντιστοιχία AdS/CFT δείχνει πώς τα φωτόνια της ακτινοβολίας Hawking μπορεί να είναι σε θέση να κωδικοποιήσουν πληροφορίες για το εσωτερικό της μαύρης τρύπας, μεταφέροντας έτσι αυτές τις πληροφορίες πίσω στο σύμπαν γενικά.
Η αντιστοιχία AdS/CFT υποβλήθηκε από τον θεωρητικό φυσικό Juan Maldacena το 1997 και θεωρείται ευρέως ως μία από τις πιο ελπιδοφόρες κατευθύνσεις για την επιδίωξη των θεωριών της κβαντικής βαρύτητας. Υποδηλώνει ότι η φυσική δομή του χωροχρόνου, για παράδειγμα, σε τέσσερις διαστάσεις είναι ισοδύναμη με τη λειτουργία μιας κβαντικής θεωρίας σε ένα τρισδιάστατο όριο.
Αυτή η σύνδεση είναι περίεργη, βαθιά και εκπληκτική. Λέει ότι εάν κατασκευάσετε έναν χωροχρόνο με ένα συγκεκριμένο είδος καμπυλότητας (και επομένως βαρύτητα) γνωστό ως χώρος αντι-de Sitter — αυτό είναι το μέρος του AdS — η μαθηματική περιγραφή αποδεικνύεται ισοδύναμη με την περιγραφή ενός είδους Η κβαντική θεωρία πεδίου που ονομάζεται θεωρία σύμμορφου πεδίου - αυτό είναι το τμήμα CFT - σε μια λιγότερη διάσταση. Με άλλα λόγια, η αντιστοιχία λειτουργεί σαν ολόγραμμα — όλες οι πληροφορίες στην υψηλότερης διάστασης χωροχρονική προβολή κωδικοποιούνται μέσα στις χαμηλότερες διαστάσεις κβαντικές αλληλεπιδράσεις. Αυτή η «ολογραφική αρχή» προτάθηκε για πρώτη φορά από τον νομπελίστα φυσικής Gerard ’t Hooft και η αλληλογραφία AdS/CFT του Maldacena παρείχε την πρώτη συγκεκριμένη εικόνα του πώς θα μπορούσε να λειτουργήσει για μια συγκεκριμένη μορφή χωροχρόνου.
Σε αυτήν την άποψη, αυτό που μοιάζει με συνεχές διάστημα στο σύμπαν του AdS εκδηλώνεται στην κβαντική άποψη CFT ως εμπλοκή — η αλληλεξάρτηση των κβαντικών bit. Εδώ, είπε ο Maldacena, «η εμφάνιση του χωροχρόνου υποτίθεται ότι συμβαίνει σε συστήματα με μεγάλο αριθμό qubits που είναι πολύ μπερδεμένα και αλληλεπιδρούν σε μεγάλο βαθμό». Με άλλα λόγια, η κβαντική εμπλοκή μπορεί να παράγει έναν χωροχρόνο που φαίνεται να έχει μέσα του τη βαρύτητα. Η βαρύτητα, μπορείτε να πείτε, περιστρέφεται από κβαντικά εφέ.
Rapid Scramblers
Τι σχέση έχουν όλα αυτά με τις μαύρες τρύπες; Το παράδοξο πληροφοριών για τη μαύρη τρύπα ρωτά τι συμβαίνει με τις πληροφορίες που πετιούνται σε μια μαύρη τρύπα. Η αντιστοιχία AdS/CFT είναι βασικό συστατικό μιας προτεινόμενης λύσης, καθώς παρέχει τα μέσα με τα οποία η κβαντική εμπλοκή θα μπορούσε να αποτυπώσει τις πληροφορίες για την ακτινοβολία Hawking και να αποτρέψει την αμετάκλητη απώλεια της.
Το 2004, ο ίδιος ο Hawking εξήγησε πώς, Υποθέτοντας ότι η εικασία AdS/CFT είναι αληθινή, θα μπορούσαμε να ανακτήσουμε αυτές τις πληροφορίες συλλαμβάνοντας κάθε μεμονωμένο φωτόνιο Hawking που εκπέμπει μια μαύρη τρύπα καθ 'όλη τη διάρκεια ζωής της πριν εξατμιστεί πλήρως. Όπως το περιέγραψε ο Νόρμαν Γιάο από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, «Εάν ήσασταν ο Θεός και συλλέγατε όλα αυτά τα φωτόνια του Χόκινγκ, υπάρχει κατ' αρχήν κάποιος ασεβής υπολογισμός που μπορείτε να κάνετε για να εξάγετε ξανά τις πληροφορίες σε [κάθε καταπιμένο] qubit».
Μέχρι τη μέση της εξάτμισης μιας μαύρης τρύπας, οι πληροφορίες μέσα σε αυτήν παραμένουν κρυμμένες. Μετά από αυτό το σημείο, ωστόσο, η μαύρη τρύπα αρχίζει να αποκαλύπτει τις πληροφορίες της στην ακτινοβολία Hawking. Έχετε λοιπόν πολλή αναμονή για να μπορέσετε να το καταφέρετε. Και σύμφωνα με ένα επιχείρημα που προβλήθηκε το 1993 από τον φυσικό Ντον Πέιτζ του Πανεπιστημίου της Αλμπέρτα, τότε θα διαρρεύσει σταδιακά, με σταθερό ρυθμό.
Αλλά το 2007, ο Patrick Hayden και ο John Preskill αναθεώρησαν αυτήν την εικόνα δείχνοντας ότι, στην πραγματικότητα, μετά το μισό του δρόμου οι πληροφορίες αναδύονται πιο γρήγορα από αυτό. Παραδόξως, μόλις η μαύρη τρύπα μισοεξατμισθεί, κάθε περαιτέρω κβαντική πληροφορία που πετιέται σε αυτήν «κυριολεκτικά αναπηδά αμέσως πίσω», είπε ο Yao. Αυτό συμβαίνει επειδή η μαύρη τρύπα σε εκείνο το στάδιο έχει μπλέξει τόσο κβαντικά με την ακτινοβολία Χόκινγκ που έχει ήδη εκπέμψει ώστε όποια άλλη πληροφορία καταπίνει καταγράφεται ουσιαστικά αμέσως σε οποιαδήποτε περαιτέρω ακτινοβολία που εκπέμπει. Η μαύρη τρύπα, είπαν οι Χέιντεν και Πρέσκιλ, τότε λειτουργεί σαν «καθρέφτης πληροφοριών».
Ο Hayden και ο Preskill είχαν βρει μια σύνδεση μεταξύ της θερμοδυναμικής της μαύρης τρύπας και της κβαντικής θεωρίας πληροφοριών που επικαλείται ένα φαινόμενο που ονομάζεται κβαντική σύγχυση. Αυτό το φαινόμενο μοιάζει μάλλον με τον τρόπο που η θερμότητα κατανέμεται ομοιόμορφα σε ένα σύστημα με την πάροδο του χρόνου καθώς έρχεται σε ισορροπία, μια διαδικασία που ονομάζεται θερμοποίηση. Φανταστείτε, είπε ο Yao, να δημιουργεί δύο συστήματα που περιέχουν τοπικούς θύλακες ενέργειας και στη συνέχεια να τα φέρνουν σε επαφή. Η ενέργεια θα εξαπλωθεί και στα δύο συστήματα έως ότου «χάσουν τη μνήμη αυτής της αρχικής κατάστασης και δεν μπορείτε πλέον να τα διακρίνετε».
Η κρυπτογράφηση είναι η ίδια στην ουσία, αλλά πολύ πιο ισχυρή:Δεν μπορείτε να διακρίνετε δύο κωδικοποιημένα συστήματα, ακόμη κι αν κοιτάξετε όχι μόνο τοπικά, αλλά και συσχετισμούς και στα δύο συστήματα. «Η ανακαίνιση είναι μια πολύ ισχυρή μορφή θερμοποίησης», είπε ο Γιάο. "Είναι η μετεγκατάσταση της κβαντικής πληροφορίας."
«Είναι ένα κβαντικό ανάλογο ανακάτεμα», είπε ο Άνταμ Μπράουν, ένας φυσικός στη Google και στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. «Αν ξεκινήσετε με ένα παραγγελθέν πακέτο καρτών, λέτε ότι ανακατεύεται αν κοιτάξετε τις κάρτες και πείτε ότι δεν έχει απομείνει κανένα εμφανές σχέδιο σε αυτές. Αυτό δεν είναι το ίδιο με το να λες ότι το έχεις κάνει εντελώς τυχαίο – είναι αρκετά μπερδεμένο που πρέπει να είσαι πολύ περίπλοκος για να ξέρεις ότι δεν είναι τυχαίο. Συμβαίνει πολύ νωρίτερα από την αυθεντική τυχαιότητα.»
«Σχεδόν κάθε κβαντικό σύστημα πολλών σωμάτων τελικά πρόκειται να ανακατευτεί», πρόσθεσε. Αλλά οι μαύρες τρύπες είναι ιδιαίτερες. Ακριβώς όπως ο ρυθμός με τον οποίο ανακατεύεται ένα πακέτο καρτών εξαρτάται από την τεχνική που χρησιμοποιείτε, έτσι και ο ρυθμός ανάμειξης ενός συστήματος εξαρτάται από τις λεπτομέρειες του τρόπου αλληλεπίδρασης των σωματιδίων σε αυτό το σύστημα. Αυτές οι λεπτομέρειες περιγράφονται μαθηματικά από μια συνάρτηση που ονομάζεται Hamiltonian. Και αποδεικνύεται ότι οι μαύρες τρύπες που διέπουν το Hamilton σημαίνει ότι ανακατεύουν κβαντικές πληροφορίες με τον ταχύτερο δυνατό ρυθμό.
Και αυτό είναι που οδηγεί στο συμπέρασμα του Hayden και του Preskill. Οι μαύρες τρύπες λειτουργούν σαν γρήγορα κυκλώματα κβαντικής σύγχυσης, επομένως από τη στιγμή που μπλέκονται επαρκώς με τη δική τους ακτινοβολία Hawking, κάθε νέα πληροφορία που εισέρχεται σε αυτές εμφανίζεται πολύ γρήγορα σε αυτήν την ακτινοβολία.
Παρόλα αυτά, θα πρέπει να περιμένετε έως ότου η μαύρη τρύπα και η ακτινοβολία Hawking της μπλέξουν αρκετά — δηλαδή μέχρι να εξατμιστεί κατά το ήμισυ— προτού συμβεί αυτό.
Αλλά υπάρχει μια πιο γρήγορη εναλλακτική για να λάβετε πληροφορίες:Μπλέξτε τη μαύρη τρύπα στο μέγιστο με κάτι άλλο - σαν μια άλλη μαύρη τρύπα. Αυτή είναι η πρόταση που υποβλήθηκε το 2016 από τους Ping Gao και Daniel Jafferis του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ, σε συνεργασία με τον Aron Wall στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον του Νιου Τζέρσεϊ. Αν μπορούσατε να μπερδέψετε ένα ζευγάρι μαύρες τρύπες με αυτόν τον τρόπο, είπαν, τότε ένα qubit που κατάπιε η πρώτη μαύρη τρύπα θα καταγραφόταν στην άλλη. Ο Gao και οι συνεργάτες του έδειξαν πώς, προσθέτοντας μια περαιτέρω σύζευξη μεταξύ των μαύρων οπών, θα μπορούσατε να κάνετε τη μεταφορά κβαντικών πληροφοριών μεταξύ τους τυπικά πανομοιότυπη με τη διαδικασία που ονομάζεται κβαντική τηλεμεταφορά. Εδώ η εμπλοκή μεταξύ δύο σωματιδίων χρησιμοποιείται για τη μεταφορά της κβαντικής κατάστασης του ενός από αυτά στο άλλο. Το σωματίδιο στόχος καταλήγει να μοιάζει πανομοιότυπο με το αρχικό — στην πραγματικότητα, δεν υπάρχει κανένας ουσιαστικός τρόπος να πούμε ότι δεν είναι το ίδιο σωματίδιο, που εξαφανίστηκε από ένα μέρος του χώρου και ανασυστάθηκε σε άλλο. "Η εμπλοκή τους λειτουργεί σαν γέφυρα" για πληροφορίες, είπε ο Yao.
Συστήματα με τη δυναμική των μαύρων τρυπών, εξήγησε ο Yao, «επιτρέπουν την τηλεμεταφορά στην ταχύτερη δυνατή χρονική κλίμακα». Αυτό συμβαίνει επειδή οποιαδήποτε πληροφορία εισέρχεται σε ένα από αυτά μοιράζεται γρήγορα σε όλα τα σωματίδια του — και έτσι, λόγω της εμπλοκής με τη δεύτερη μαύρη τρύπα, κοινοποιείται γρήγορα και με αυτήν.
Η κβαντική τηλεμεταφορά έχει αποδειχθεί πειραματικά πολλές φορές και ήδη χρησιμοποιείται για την αποστολή ασφαλώς κρυπτογραφημένων πληροφοριών μεταξύ κβαντικών συσκευών. Ωστόσο, δεν σας επιτρέπει να στέλνετε μηνύματα αμέσως, επειδή το σήμα δεν μπορεί να αποκωδικοποιηθεί - φαίνεται τυχαίο - χωρίς πρόσθετες πληροφορίες που αποστέλλονται από κάποιον κλασικό μηχανισμό, πράγμα που σημαίνει ότι δεν μπορεί να ταξιδέψει πιο γρήγορα από το φως. Αυτός, εξήγησε ο Nezami, ένας πρώην διδακτορικός φοιτητής του Hayden's, είναι ο λόγος για τον οποίο ένα σχέδιο όπως αυτό που προτείνεται από τον Gao και τους συναδέλφους του απαιτεί κάποια πρόσθετα μέσα, πέρα από τη διαπλοκή, για τη σύζευξη των μαύρων τρυπών. "Ο ρόλος της σύζευξης είναι να στέλνει τα βασικά κλασικά δεδομένα, τα οποία, με τη βοήθεια της εμπλοκής, τηλεμεταφέρουν το σήμα από τη μια μαύρη τρύπα στην άλλη", είπε.
Αυτός, τουλάχιστον, είναι ο τρόπος με τον οποίο ένας θεωρητικός της κβαντικής πληροφορίας θα έβλεπε τη διαδικασία. Αλλά σύμφωνα με την αντιστοιχία AdS/CFT, το κανάλι μεταξύ των μαύρων οπών που δημιουργούνται από τη διαπλοκή είναι ισοδύναμο, σε μια περιγραφή που βασίζεται στη γενική σχετικότητα, με μια σκουληκότρυπα στον χωροχρόνο που τις συνδέει. Σε αυτήν την προβολή, τα qubits εισέρχονται στη μία μαύρη τρύπα και ταξιδεύουν κάτω από τη σκουληκότρυπα στην άλλη.
Κανονικά, τέτοιες σκουληκότρυπες - ενώ επιτρέπονται από τη γενική σχετικότητα - πιστεύεται ότι δεν μπορούν να διασχιστούν:Δεν θα μπορούσατε πραγματικά να τους στείλετε τίποτα. Όμως οι Gao, Jafferis και Wall έδειξαν πώς η κβαντική θεωρία πληροφοριών και η τηλεμεταφορά θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν (στην εικόνα του AdS/CFT) για να δημιουργήσουν μια σκουληκότρυπα που να είναι διασχίσιμη.
Πειραματικές σκουληκότρυπες
Εάν η αντιστοιχία AdS/CFT είναι πραγματική, επιτρέπει μια ριζική αλλαγή στην προοπτική. Κατ' αρχήν, οι ερευνητές θα μπορούσαν να κατασκευάσουν συστήματα εξ ολοκλήρου ισοδύναμα με μαύρες τρύπες συνδεδεμένες με σκουληκότρυπα, εμπλέκοντας τα κβαντικά κυκλώματα με τον σωστό τρόπο και τηλεμεταφέροντας qubits μεταξύ τους.
Ο Nezami και ο Brown, συνεργαζόμενοι με τον Leonard Susskind του Στάνφορντ, τον Brian Swingle του Πανεπιστημίου του Maryland, το College Park και άλλους, έχουν τώρα καταλήξει σε μια πρακτική πρόταση για το πώς να το κάνουμε αυτό. Αυτό που χρειάζεστε για να κάνετε μια ομάδα κβαντικών σωματιδίων να ενεργεί σαν μαύρη τρύπα σε αυτό το πλαίσιο, λένε, είναι να αντιστοιχίσετε στις αλληλεπιδράσεις τους ένα Χαμιλτονιανό που τα κάνει πολύ γρήγορους αναδευτήρες.
Η κβαντική σύγχυση στην πραγματικότητα αποδείχθηκε αναμφισβήτητα μόνο για πρώτη φορά πέρυσι. Υιοθετώντας μια πειραματική πρόταση από τον Yao και τον συνάδελφό του Beni Yoshida, ο Christopher Monroe στο Μέριλαντ και οι συνεργάτες του δημιούργησαν ένα κβαντικό κύκλωμα κατασκευασμένο από ηλεκτρικά παγιδευμένα ιόντα των οποίων οι κβαντικές καταστάσεις είχαν μπερδευτεί. Σε πραγματικά συστήματα όπως αυτό, η σύγχυση μπορεί να είναι δύσκολο να εντοπιστεί μεταξύ άλλων απείθαρχων διεργασιών όπως ο κλασικός θόρυβος και — ειδικότερα — η κβαντική αποσυνοχή. Όπως και η σύγχυση, η αποσυνοχή προκύπτει από την αλληλεπίδραση και την επακόλουθη εμπλοκή των σωματιδίων — αλλά σε αυτή την περίπτωση, είναι σωματίδια στο περιβάλλον που περιβάλλει το ίδιο το κβαντικό σύστημα. Καθώς προχωρά η αποσυνοχή, οι πληροφορίες διαρρέουν στο περιβάλλον και ουσιαστικά χάνονται οριστικά. Η αποσυνοχή είναι αδύνατο να αποφευχθεί τελείως, γεγονός που την καθιστά το πρόβλημα των κβαντικών υπολογιστών:Οποιοσδήποτε κβαντικός υπολογισμός πρέπει να ολοκληρωθεί προτού η αποσυνοχή τυχαιοποιήσει τις πληροφορίες.
Συνήθως, η αποσυνοχή τείνει να συμβαίνει γρηγορότερα από την ανακατωσούρα, επομένως ήταν πολύ δύσκολο να δούμε το τελευταίο καθαρά. Η ομάδα του Monroe ανακάλυψε πώς να διακρίνει τα δύο χρησιμοποιώντας έναν αλγόριθμο κβαντικής τηλεμεταφοράς κωδικοποιημένο σε ένα κύκλωμα που αποτελείται από επτά συζευγμένα ιόντα υττερβίου που διατηρούνται στη σειρά, το καθένα ενεργώντας ως ένα μεμονωμένο qubit. Η διαδικασία - ένας κβαντικός υπολογισμός, στην πραγματικότητα - τηλεμεταφέρει ένα μόνο qubit από το ένα άκρο της σειράς στο άλλο. Για να μετρήσουν το ρυθμό κρυπτογράφησης, οι ερευνητές συνέκριναν τη διαδικασία τηλεμεταφοράς καθώς ο αλγόριθμος εξελισσόταν προς τα εμπρός και μετά αντίστροφα (σαν να συνέβαινε «προς τα πίσω στο χρόνο»). Χωρίς σύγχυση, οι δύο διαδικασίες παραμένουν συσχετισμένες. Αλλά καθώς η κρυπτογράφηση διασκορπίζει τις πληροφορίες που αρχικά κωδικοποιήθηκαν σε ορισμένα qubits μεταξύ των άλλων, τα αποτελέσματα των υπολογισμών προς τα εμπρός και προς τα πίσω γίνονται λιγότερο συσχετισμένα:Το σύστημα έχει αλλάξει από την αρχική του κατάσταση και έτσι η τηλεμεταφορά δεν μπορεί να αντιστραφεί με ακρίβεια. «Αν συσχετίζονται, δεν συμβαίνουν πολλά», είπε η Monroe. «Αλλά αν υπάρχει σύγχυση, η συσχέτιση πηγαίνει στο μηδέν». Αυτό είδαν καθώς προχωρούσε ο χρόνος.
Ο Brown και οι συνεργάτες του προτείνουν τώρα ότι κβαντικά κυκλώματα παρόμοια με αυτά θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή ενός απλού αναλόγου της κατάστασης που οραματίστηκαν οι Gao, Jafferis και Wall για μια διασχίσιμη σκουληκότρυπα που θα μπορούσε να τηλεμεταφέρει ένα qubit. Στην έκδοση που φαντάζονται, καθεμία από τις δύο μαύρες τρύπες αποτελείται από λίγα μόνο qubits, τα οποία είναι όλα στο μέγιστο βαθμό μπερδεμένα το ένα με το άλλο. Το πρωτόκολλό τους εισάγει μια περαιτέρω αλληλεπίδραση μεταξύ αυτών των δύο ομάδων qubit, η οποία λειτουργεί ως το πρόσθετο κανάλι που χρειάζεται ο Gao και οι συνεργάτες του για να ολοκληρώσουν τη διαδικασία τηλεμεταφοράς.
Η διαίσθηση μας λέει ότι μια χούφτα ιόντων σε μια ηλεκτρομαγνητική παγίδα δεν μοιάζει σε τίποτα με ένα αστέρι που έχει καταρρεύσει από το οποίο δεν μπορεί να διαφύγει κανένα φως. Αλλά εδώ είναι το συγκλονιστικό πράγμα:Εάν η αντιστοιχία AdS/CFT είναι σωστή, τότε αυτά τα πειράματα θα ήταν κάτι περισσότερο από ένα εργαστηριακό ανάλογο μιας μαύρης τρύπας. Οι δύο τύποι συστημάτων θα ήταν εντελώς ισοδύναμοι. Τα συζευγμένα ιόντα είναι ακριβώς όπως θα έμοιαζε, σε ένα χώρο AdS, μια (πολύ μικροσκοπική) μαύρη τρύπα. Είναι μια απεικόνιση του πώς, αν η εικασία του Maldacena μας λέει κάτι αληθινό για τον τρόπο με τον οποίο είναι δομημένο το σύμπαν, οι διαισθήσεις μας για το τι είναι τα πράγματα θα γκρεμιζόταν.
Νέες συνδέσεις
Σε μια συνομιλία με τη συνάδελφό του στο Μέριλαντ Monroe τον περασμένο Οκτώβριο, ο Swingle περιέγραψε το κβαντικό του κύκλωμα που μοιάζει με σκουληκότρυπα. Ο Μονρό αναγνώρισε ότι ήταν λίγο πολύ ακριβώς το είδος του κυκλώματος που είχε χρησιμοποιήσει η ομάδα του για να επιδείξει την κβαντική κρυπτογράφηση. Αν και ο Monroe είχε επίγνωση των ιδεών του Hayden και του Preskill σχετικά με τη χρήση κβαντικής εμπλοκής για την ανάκτηση κβαντικών πληροφοριών από μια μαύρη τρύπα, είπε ότι η ομάδα του είχε επιλέξει το κύκλωμά τους απλώς για να δείξει την κβαντική σύγχυση, χωρίς να σκέφτεται πραγματικά τη σύνδεση με τη βαρύτητα.
Εάν το κύκλωμα που επινοήθηκε από τον Swingle και τους συναδέλφους μπορεί πράγματι να κατασκευαστεί, θα πρέπει να είναι μάλλον απλό να αναζητήσετε το αποτέλεσμα που προβλέπουν. Μπορεί να γίνει αυτό; «Απολύτως», είπε η Μονρό. Αυτό που θα περίμενε κανείς να δει είναι ότι, πρώτα, ένα κβαντικό κομμάτι πληροφοριών που τροφοδοτείται σε ένα από τα δύο συστήματα qubit τύπου μαύρης τρύπας θα ανακατευόταν και θα φαινόταν να εξαφανίζεται. Αλλά μετά από ένα προβλέψιμο χρονικό διάστημα, θα έβγαινε ξανά, χωρίς κρυπτογράφηση, στην άλλη ομάδα των qubits, έχοντας πηδήξει στη σκουληκότρυπα. Η έκπληξη δεν είναι τόσο πολύ ότι οι πληροφορίες μεταφέρονται - τα δύο συστήματα συνδέονται, τελικά. Είναι ότι οι πληροφορίες επανεμφανίζονται σε ευανάγνωστη μορφή, χωρίς να χρειάζεται αποκωδικοποίηση, παρόλο που η πρώτη "μαύρη τρύπα" τις ανακατεύει πλήρως.
Σε αυτό το στάδιο, τα πειράματα που χρησιμοποιούν κβαντικά κυκλώματα μπορούν να ελπίζουν ότι θα δημιουργήσουν μόνο ένα απλοποιημένο μοντέλο παιχνιδιού του χωροχρόνου που κατοικούμε, που περιγράφεται από τη γενική σχετικότητα. «Αν ο στόχος είναι να αποκτήσουμε έναν χωροχρόνο που να διέπεται από τις εξισώσεις του Αϊνστάιν», είπε ο Μαλντασένα, «τότε τα μόνα συστήματα που είναι γνωστό ότι τον παράγουν είναι πολύ ειδικά και πιθανότατα δύσκολο να κατασκευαστούν στο εργαστήριο». Αλλά προσθέτει ότι «ο στόχος αυτών των συγγραφέων είναι να δημιουργήσουν ένα σύστημα αρκετά σύνθετο ώστε να έχει ορισμένα χαρακτηριστικά βαρύτητας (αν και όχι όλα), αλλά αρκετά απλό ώστε να μπορεί πραγματικά να γίνει».
Εάν τα αποτελέσματα ενός τέτοιου πειράματος επιβεβαιώνουν τις προβλέψεις, θα αποδειχθεί σωστή η αντιστοιχία AdS/CFT; Αυτό εξαρτάται από την άποψή σου. Δεν υπάρχει τίποτα στη θεωρητική ανάλυση αυτών των κβαντικών κυκλωμάτων που να μην είναι πλήρως συνεπές με την τυπική κβαντική θεωρία. Αλλά είναι πιο απλό και οικονομικό να περιγράψουμε τι συμβαίνει στη γλώσσα της βαρύτητας:ως πέρασμα κατά μήκος μιας σκουληκότρυπας. "Ενώ θα μπορούσατε να τα εξηγήσετε όλα χρησιμοποιώντας την εξίσωση Schrödinger, υπάρχει μια πολύ πιο απλή εξήγηση που προκαλεί τις μαύρες τρύπες", είπε ο Brown.
Και δεν είναι ο στόχος της φυσικής, ρωτά ο Swingle, να αναζητήσει μια τέτοια οικονομία και να αποδώσει μια ουσιαστική πραγματικότητα σε αυτήν την περιγραφή; Θα μπορούσατε, για παράδειγμα, να περιγράψετε την υπεραγωγιμότητα - ένα άλλο κβαντικό φαινόμενο - καθαρά από την άποψη των συναρτήσεων ηλεκτρονικών κυμάτων. Αλλά είναι πολύ πιο απλό να χρησιμοποιήσετε μια εικόνα «οιονεί σωματιδίου»:να εξετάσετε τα λεγόμενα ζεύγη Cooper εμπλεκόμενων ηλεκτρονίων. Δεν αμφισβητούμε την πραγματικότητα αυτών των οιονεί σωματιδίων — και γιατί λοιπόν να αρνηθούμε την πραγματικότητα των σκουληκότρυπων qubit;
Για αυτόν τον λόγο, είπε ο Monroe, «από τις παρατηρήσεις των ατόμων, θα μπορούσαμε να μάθουμε για κάτι που δεν έχει καμία σχέση με τα άτομα» - δηλαδή τις μαύρες τρύπες. Και πιο φιλόδοξες εκδόσεις του πειράματος που χρησιμοποιούν συστήματα πολλών qubit θα μπορούσαν να αποκαλύψουν ενδιαφέρουσες ιδιότητες του ίδιου του χωροχρόνου. "Εάν μπορούν να γίνουν αυτά τα πειράματα, μπορεί να καταστεί δυνατή η δημιουργία ολοένα και πιο περίπλοκων μπερδεμένων συστημάτων που θα μπορούσαν να δοκιμάσουν περισσότερες πτυχές της εμφάνισης του χωροχρόνου από κβαντικά συστήματα", δήλωσε ο Maldacena. Πρόσθεσε ο Nezami:"Ένα εξελιγμένο πείραμα αυτού του τύπου θα μπορούσε ακόμη και να προσφέρει μια πειραματική ανίχνευση των μαθηματικών της θεωρίας χορδών."
Όσον αφορά τις προοπτικές για ένα τέτοιο πείραμα, ο Swingle είπε ότι συνομιλεί με διάφορους πειραματιστές για την προσαρμογή των κυκλωμάτων κβαντικής κρυπτογράφησης σε μια άμεση δοκιμή αυτών των μακρινών ιδεών, αν και δεν έχουν ακόμη εμφανιστεί συγκεκριμένα σχέδια. Αλλά οι ίδιες οι συνομιλίες είναι κάτι σαν ορόσημο. «Εδώ έχουμε θεωρητικούς φυσικούς από την κβαντική βαρύτητα που μιλούν με πειραματικούς ατομικούς φυσικούς», είπε ο Μπράουν. «Ιστορικά ήταν περίπου τόσο μακριά όσο δύο ομάδες σε ένα τμήμα φυσικής. Αυτό είναι λοιπόν ένα νέο πράγμα και είναι υπέροχο."
Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στις TheAtlantic.com .
