Przy pomocy komputera kwantowego naukowcom udało się stworzyć wormhole, czy inaczej tunel czasoprzestrzenny, a dokładnie jego symulację. Wymysł rodem z fantastyki czy rewolucyjny eksperyment?
W opublikowanej pierwszego grudnia ubiegłego roku pracy, naukowcy z Kalifornijskiego Uniwersytetu Technologicznego opisali wyniki niezwykle ciekawego eksperymentu. Stworzyli bowiem eksperyment kwantowy, dzięki któremu mogą badać dynamikę i zachowanie modelu tunelu czasoprzestrzennego, nazywanego często wormhole’m. Według ogólnej teorii względności Einsteina, takie ‘skróty’ w czasoprzestrzeni mogą istnieć naprawdę. W tysiąc dziewięćset trzydziestym piątym roku, we współpracy z fizykiem Nathanem Rosenem, Einstein ogłosił, że obiekty o ekstremalnej fizyce, takie jak białe i czarne dziury, mogą tworzyć takie właśnie załamania w czasie i przestrzeni. Stąd wormhole nazywa się także mostami Einsteina-Rosena, nawiązując do zdolności ‘przenoszenia’ informacji a nawet obiektów z jednego punktu bezpośrednio do drugiego. Autor późniejszej pracy na ten temat, John Wheeler, wymyślił określenie wormhole, które na dobre zadomowiło się w popkulturze i od dekad inspiruje twórców fantastyki naukowej. Mogliśmy oglądać je w Star Treku, Doktorze Who czy Interstellar, oprócz tego były bohaterami dziesiątek powieści i seriali sci-fi.
Przez lata naukowcy starali się określić w jaki sposób miałby działać taki tunel i jaką masę musiałby mieć obiekt będący w stanie go wytworzyć. Ich badania opierały się na założeniach grawitacji kwantowej, czyli hipotezie łączącej ze sobą własności teorii grawitacji oraz teorii kwantowych. Pomimo, że oddzielnie możemy obserwować i badać efekty obu z nich, to w połączeniu nie jest to już takie proste. Dlatego właśnie opracowanie symulacji tunelu czasoprzestrzennego, czyli takiego połączonego efektu obu teorii, jest tak niezwykłe.
Przy pomocy procesora kwantowego Sycamore od firmy Google, badaczom udało się po raz pierwszy zasymulować właściwości wormohole’a. Jak twierdzą autorzy pracy, eksperyment nie zastępuje bezpośrednich prób zbadania efektów grawitacji kwantowej, jednak daje solidną podstawę to przetestowania jej właściwości w mniejszej skali, na istniejącym systemie obliczeniowym. Oprócz tego, model pozwala porównać efekt działania tunelu czasoprzestrzennego i teleportacji kwantowej. Jest to związane z efektem splątania kwantowego, czyli zjawiskiem ścisłego powiązania cząstek pomimo dzielącej je nawet znacznej odległości. Zespół badaczy przeprowadził analizę efektu przenoszenia informacji z jednego punktu w czasoprzestrzeni do drugiego na podstawie założenia, że takie zjawisko mogłoby być opisane zarówno zasadami grawitacji, jak i fizyki kwantowej, a konkretnie splątania kwantowego.
Aby to zrobić, naukowcy musieli uprościć istniejące systemy kwantowe do najmniejszego możliwego elementu, który zachowałby właściwości grawitacyjne zdolne do przetworzenia przez procesor kwantowy Sycamore. Dzięki temu udało im się stworzyć symulację kwantowej teleportacji porównywalnej do tunelu czasoprzestrzennego w rzeczywistej przestrzeni, podlegającej działaniu znanych właściwości grawitacji. W ten sposób przesłali informację pomiędzy dwiema czarnymi dziurami zaprojektowanymi w systemie. Jak sami przyznają, długo czekali na wynik eksperymentu, a ten bardzo ich zaskoczył. Co ciekawe, dzięki zdolności uczenia się super-procesora Google, udało im się stworzyć system na tyle prosty, by móc zasymulować efekty fizyki kwantowej przy zachowaniu realistycznego odwzorowania efektów grawitacyjnych. Dodatkowo, wyniki eksperymentu były spójne z przewidywanym zachowaniem tuneli czasoprzestrzennych. Badacze zawdzięczają rezultaty badania właśnie procesorowi Sycamore, którego stopa błędu była na tyle niska, by móc przetworzyć odpowiednie parametry bez szkody dla modelu. W przyszłości naukowcy będą poszerzać podobne badania dla bardziej skomplikowanych systemów kwantowych. Choć w pełni wiarygodne komputery kwantowe dopiero powstaną, to autorzy pracy planują kontynuować podobne eksperymenty na istniejących platformach obliczeniowych.
Jeden z autorów badania przyznaje, że związek pomiędzy splątaniem kwantowym, czasoprzestrzenią i grawitacją kwantową to jedno z najważniejszych pytań fizyki fundamentalnej i wciąż rozwijany obszar rozważań teoretycznych. Choć od tej strony praca nie opisuje niczego nowego w temacie grawitacji kwantowej, to jako osiągnięcie techniczne jest to po prostu ważny eksperyment. Sami badacze twierdzą, że na razie nie powinniśmy się nadmiernie ekscytować, w końcu to jedynie symulacja, jednak jest to spory krok w kierunku poznania efektów grawitacji kwantowej, o której jak na razie wiemy tyle co nic. Teraz możliwe będzie modelowanie innych, bardziej złożonych teorii z tego zakresu.
