Червоточины — это мосты между двумя удаленными регионами в пространстве-времени. Их не наблюдали экспериментально, но ученые теоретизировали об их существовании и свойствах почти 100 лет. В 1935 году Альберт Эйнштейн и Натан Розен описали червоточины как туннели сквозь ткань 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, а сам термин "червоточина" был придуман физиком Джоном Уилером в 1950-х годах.
Представление о том, что червоточины и квантовая физика, в частности запутанность (явление, при котором две частицы могут оставаться связанными на огромных расстояниях), могут иметь связь, было впервые предложено в теоретическом исследовании Хуаном Малдасеной и Леонардом Сасскиндом в 2013 году. Физики предположили, что червоточины (или "ER") были эквивалентны запутанности (также известной как "EPR").
Все это было теориями, до недавнего дня. Ведь ученые впервые разработали квантовый эксперимент, который позволяет им изучать динамику или поведение особого вида теоретической червоточины. Эксперимент позволяет исследовать связи между теоретическими червоточинами и квантовой физикой, предсказанием так называемой квантовой гравитации. Квантовая гравитация относится к набору теорий, которые пытаются связать гравитацию с квантовой физикой, двумя фундаментальными и хорошо изученными описаниями природы, которые кажутся несовместимыми друг с другом по своей сути. Обратите внимание, что эксперимент не создал настоящую червоточину (разрыв в пространстве и времени, известный как мост Эйнштейна-Розена). Исследование было опубликовано в журнале Nature 1.
Настоящая работа исследует эквивалентность червоточин с квантовой телепортацией. Команда под руководством Калифорнийского технологического института провела первые эксперименты, проверяющие 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).
В новом исследовании группа физиков впервые провела эксперимент такого типа. Они использовали "детскую" SYK-подобную модель, подготовленную для сохранения гравитационных свойств, и наблюдали за динамикой червоточины на квантовом устройстве в Google, а именно на квантовом процессоре Sycamore. Для этого команде пришлось сначала привести модель SYK к упрощенной форме, чего они добились, используя инструменты машинного обучения на обычных компьютерах.
В ходе эксперимента исследователи вставили кубит — квантовый эквивалент бита в обычные компьютеры 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 с помощью квантовой телепортации — или, говоря на дополнительном языке гравитации, квантовая информация проходила через проходную червоточину.
В исследовании физики сообщают о поведении червоточин, ожидаемом как с точки зрения гравитации, так и с точки зрения квантовой физики. Например, хотя квантовая информация может передаваться через устройство или телепортироваться различными способами, было показано, что экспериментальный процесс эквивалентен, по крайней мере, в некоторых отношениях тому, что могло бы произойти, если бы информация прошла через червоточину. Для этого команда попыталась "подпереть червоточину", используя импульсы либо отрицательной энергии отталкивания, либо противоположной, положительной энергии. Они наблюдали ключевые признаки проходимой червоточины только тогда, когда применялся эквивалент отрицательной энергии, что согласуется с ожидаемым поведением червоточины.
В будущем исследователи надеются распространить эту работу на более сложные квантовые схемы. Хотя до создания полноценных квантовых компьютеров еще далеко, команда планирует продолжить эксперименты такого рода на существующих платформах квантовых вычислений.
