محققان برای اولین‌بار یک کرمچاله را با کامپیوترهای کوانتومی شبیه‌سازی کردند

یک کرمچاله هولوگرافیک برای اولین‌بار با یک کامپیوتر کوانتومی شبیه‌سازی شده است. در این اینجا، کلمه «هولوگرافیک» به راهی برای ساده‌سازی مسائل فیزیکی مرتبط با مکانیک کوانتوم و گرانش اشاره دارد، نه یک هولوگرام واقعی؛ شبیه‌سازی‌هایی مانند این می‌توانند به ما کمک کنند تا یاد بگیریم چگونه این دو مفهوم را در یک نظریه گرانش کوانتومی ترکیب کنیم که احتمالاً سخت‌ترین و مهم‌ترین مسئله فیزیک در حال حاضر است.

هم مکانیک کوانتومی که بر دنیای بسیار ریز حکمرانی می‌کند و هم نسبیت عام که گرانش و دنیای بسیار بزرگ را توصیف می‌کند، در قلمروهای خود بسیار موفق هستند، اما این دو نظریه بنیادی با یکدیگر سازگاری ندارند. این ناسازگاری خصوصاً در حوزه‌هایی که هر دو نظریه باید کارایی خود را باهم نشان دهند، نمود پیدا می‌کند؛ موضوعاتی از جمله درون و اطراف سیاهچاله‌ها.

این حوزه‌ها به‌شدت پیچیده هستند و اینجاست که هولوگرافی وارد بازی می‌شود. این روش به فیزیکدانان اجازه می‌دهد یک سیستم کمتر پیچیده بسازند که معادل سیستم اصلی است؛ همان‌طور که یک هولوگرام دو‌بعدی می‌تواند جزئیات سه‌بعدی را نشان دهد.

پردازندهٔ کوانتومی سیکامور گوگل که دانشمندان از آن برای شبیه‌سازی کرمچاله و انتقال اطلاعات از طریق آن استفاده کرده‌اند.

«ماریا اسپیروپولو» (Maria Spiropulu) در انستیتوی تکنولوژی کالیفرنیا و همکارانش از کامپیوتر کوانتومی سیکامور (Sycamore) گوگل برای شبیه‌سازی یک کرمچاله هولوگرافیک - تونلی در فضا-زمان با دو سیاهچاله در دو انتهای خود - استفاده کرده‌اند. آن‌ها نوعی کرمچاله را طراحی کرده‌اند که یک پیام می‌تواند به‌طور تئوری از آن عبور کند و فرایند سفر این پیام را ارزیابی کرده‌اند.

در یک کرمچاله واقعی، این سفر عمدتاً توسط گرانش دستخوش تغییر می‌شود، اما کرمچاله هولوگرافیک اثرات کوانتومی را با گرانش جابه‌جا می‌کند تا نسبیت را از معادلات حذف و سیستم را ساده کند.

این یعنی وقتی پیام از درون کرمچاله عبور می‌کند، درواقع دچار یک دورفرستی کوانتومی می‌شود؛ فرایندی که در آن اطلاعات مربوط به حالت‌های کوانتومی را می‌توان بین دو ذره درهم‌تنیده کوانتومی منتقل کرد.

در این شبیه‌سازی، «پیام» سیگنالی بود شامل یک حالت کوانتومی، یک بیت کوانتومی (کیوبیت) با برهم‌نهی ۱ و ۰.

اسپیروپولو می‌گوید: «سیگنال درهم می‌پیچد، از ریخت می‌افتد، به آشوب تبدیل می‌شود و سپس مرتب شده و کاملاً دست‌نخورده در سمت دیگر ظاهر می‌شود. حتی در این سیستم کوچک می‌توانستیم کرمچاله را سرپا کنیم و همان چیزی را که انتظار داشتیم، ببینیم.»

تصویری از نحوه کارکرد مدل شبیه‌سازی:  ۱. هفت کیوبیت مجموعه‌ای درهم‌تنیده از ذرات، به عنوان مدل SYK را شبیه‌سازی می‌کنند. کیوبیت هشتم در مدل سمت چپ جایگزین می‌شود.  ۲. اطلاعات کیوبیت در ذرات سمت چپ پخش می‌شود.  ۳. یک پالس مغناطیسی حالت کیوبیت‌ها را دوران می‌دهد. این معادل ارسال یک موج شوک انرژی منفی در طول کرمچاله است.  ۴. اطلاعات در یک ذره واحد متمرکز می‌شوند. اندازه‌گیری‌های مکرر رخ‌دادن دورفرستی را نشان می‌دهند.

این به علت درهم‌تنیدگی کوانتومی بین دو سیاهچاله رخ می‌دهد که اطلاعاتی که وارد یک انتهای کرمچاله می‌شود، در انتهای دیگر حفظ شود. این فرایند یکی از دلایلی است که یک کامپیوتر کوانتومی برای این نوع آزمایش مفید است.

شبیه‌سازی تنها از 9 کیوبیت استفاده کرد و رزولوشن بسیار پایینی داشت. مانند تصویری که از یک پرنده در دوردست گرفته شده باشد، این شبیه‌سازی نیز همان شکل کلی اطلاعات فرستاده‌شده را داشت؛ اما شبیه‌سازی باید با دقت تنظیم می‌شد تا خصوصیات یک کرمچاله را نشان دهد.

«آدام براون» (Adam Brown) از دانشگاه استنفورد در کالیفرنیا می‌گوید: «اگر بخواهید این شکل را به‌عنوان یک کرمچاله ببینید، تنها تعدادی خطوط موازی خواهید دید، اما این قطعاً مسئله تفسیر تصویر است.»

استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی قوی‌تر می‌تواند کمک کند تا تصویر متمرکزتر شود.

اسپیروپولو می‌گوید: «این فقط یک بچه کرمچاله است؛ اولین قدم برای تست نظریه‌های گرانش کوانتومی. با پیشرفت کامپیوترهای کوانتومی، باید از سیستم‌های کوانتومی بزرگ‌تری برای تست ایده‌های بزرگ‌تر در گرانش کوانتومی استفاده کنیم.»

این مهم است؛ زیرا فهم برخی از نظریه‌های گرانش کوانتومی با ابزار پردازش کلاسیک دشوار یا حتی غیرممکن است.

براون می‌گوید: «ما می‌دانیم که گرانش کوانتومی بسیار گیج‌کننده است؛ استخراج پیش‌بینی از این نظریه می‌تواند بسیار سخت باشد. رؤیای ما این است که کامپیوترهای کوانتومی کارهایی انجام دهند که آنچه را که درباره موضوعاتی مانند گرانش کوانتومی نمی‌دانیم، برای ما آشکار کنند. این یک کامپیوتر کوانتومی بسیار کوچک است و هر شبیه‌سازی روی آن را می‌توان با لپ‌تاپی که حتی فن ندارد هم انجام داد.»

در‌نهایت شباهت شبیه‌سازی به یک کرمچاله واقعی نشان می‌دهد که شاید بتوان از کامپیوترهای کوانتومی برای فرموله‌کردن و تست ایده‌های مربوط به گرانش کوانتومی و حتی شاید فهم آن استفاده کرد.