Научная фантастика о проходимой червоточине так и не приблизилась к реальности, несмотря на наводящую на размышления симуляцию квантового компьютера.
Ключевые выводы
- Понятие червоточины предполагает, что две хорошо разделенные области пространства могут быть соединены мостом, позволяющим мгновенно перемещать информацию или даже, возможно, материю из одного места в другое.
- Возможно ли это в нашей Вселенной или нет, зависит от существования и стабильности отрицательной массы/энергии в контексте нашей теории гравитации: общей теории относительности.
- Возможно, недавно на квантовом компьютере было смоделировано что-то интересное, но существует ли на самом деле связь с червоточинами? Получите настоящую правду вместо шумихи.
Должен быть один вопрос, который вы должны задавать себе каждый раз, когда сталкиваетесь с утверждением, на которое может ответить наука: «Что является правдой?» Только взглянув на ответ на этот вопрос - и, в частности, на то, что может быть и было установлено как истина с научной точки зрения на основании всего набора имеющихся данных, - вы сможете сделать ответственный вывод. Если мы посмотрим на что-то еще, в том числе на то, на что мы надеемся, чего мы боимся или какие неподтвержденные предположения нельзя исключить, мы практически гарантированно собьемся с пути. В конце концов, если доказательств недостаточно, чтобы убедить тех, кто обладает экспертными знаниями, их должно быть недостаточно и для остальных из нас.
30 ноября 2022 года в журнале Nature была опубликована статья, в которой утверждалось, что червоточина была смоделирована на квантовом компьютере, утверждая, что наблюдаемые особенности могут быть связаны с реальными проходимыми червоточинами, которые могут существовать в нашем собственная Вселенная. Эта история состоит из трех частей:
- физика червоточин в рамках общей теории относительности,
- моделирование, проведенное на квантовом компьютере,
- и связь между нашей реальной Вселенной и квантовыми вычислениями,
и мы должны сделать все три части правильными, если мы хотим отделить то, что правда, от спекулятивных, неподтвержденных заявлений, которые многие, в том числе некоторые из авторов исследования, публично делали. Давайте погрузимся во все три.
Червоточина - это единственный способ в контексте общей теории относительности, с помощью которого может происходить немедленный перенос между двумя несоизмеримыми, несвязанными событиями в пространстве-времени. Эти «мосты» представляют собой математические диковинки только на данный момент времени; никаких физических червоточин никогда не было обнаружено и никогда не было создано.
Физика червоточин
Идея червоточины родилась вскоре после открытия первого точного нетривиального решения в общей теории относительности: решения Шварцшильда, соответствующего невращающейся черной дыре. Чтобы получить это решение, все, что вам нужно сделать, это взять совершенно плоское пустое пространство и поместить туда один объект бесконечно малого объема, но конечной массы. Куда бы вы это ни поместили, у вас будет черная дыра определенной массы, окруженная горизонтом событий определенного радиуса, определяемого этой массой. Эйнштейн закончил формулировать общую теорию относительности к концу 1915 года, а в начале 1916 года Карл Шварцшильд опубликовал это раннее замечательное решение, которое до сих пор актуально и широко используется.
Ряд людей - независимо друг от друга - поняли, что если бы вы могли связать черную дыру Шварцшильда (с положительной массой) в одном месте во Вселенной с ее отрицательной массой/ энергетического аналога в другом месте, теоретически вы могли бы «соединить» эти два места. Этот мост, говоря современным языком, теперь известен как червоточина. Первоначально это теоретическое решение было найдено Фламмом в 1916 году, затем снова Вейлем в 1928 году и, что наиболее известно, еще раз Эйнштейном и Натаном Розеном в 1935 году.
Путешествие через червоточину - увлекательное занятие, но на пути к его созданию в нашей настоящей Вселенной есть много препятствий. Если не существует экзотической материи, отрицательной энергии, дополнительных измерений или подобных причудливых сущностей, даже непроходимые червоточины запрещены. Если проходимые червоточины могут существовать, с такими эффектами, как замедление времени и экстремальные приливные силы, все равно нужно считаться, чтобы не разрушить материю внутри.
Также известная как мосты Эйнштейна-Розена, эта ранняя теоретическая работа проложила путь к нашему современному пониманию червоточин в контексте общей теории относительности. В то время как у этих ранних червоточин была патология в том смысле, что они разрывали и уничтожали любую материю, которая осмеливалась проникнуть в них, был предложен ряд расширений, которые были предложены, чтобы помочь «держать эти червоточины открытыми», когда материя пытается пройти через них. через это. Обычно мы называем этот вид червоточин проходимой червоточиной, и большинство червоточин, с которыми мы сталкиваемся в научной фантастике, относятся именно к этому типу.
Вопрос о том, могут ли червоточины существовать физически, до сих пор горячо обсуждается. Да, мы можем математически записать решения уравнений Эйнштейна, которые их содержат, но математика - это не то же самое, что физика. Математика говорит вам, что находится в пределах физической возможности, но только сама реальная Вселенная откроет вам, что является физически истинным. Места, где мы искали бы такие вещественные доказательства, пока что оказались пустыми.
- Мы наблюдали настоящие черные дыры; нет никаких сигналов от них, предполагающих, что это червоточины.
- Мы наблюдали множество систем с положительной энергией; не существует систем с изначально отрицательной энергией.
- И мы наблюдали множество систем, обладающих тремя или меньшим числом пространственных измерений; до сих пор нет ни малейших доказательств наличия четвертого (или более высокого) пространственного измерения.
Если проходимая червоточина должна была соединить Тюбингенский университет с песчаными дюнами на севере Франции, кто-то, заглянувший в червоточину, мог бы увидеть дальнее место через саму червоточину. В нашей Вселенной пока не обнаружено существования такой структуры.
Большим препятствием для нашей Вселенной, насколько нам известно сегодня, кажется отсутствие того, что можно было бы назвать «экзотической» материей. Самый простой способ взглянуть на ситуацию - представить пространство как имеющее среднюю плотность энергии из всех источников: материи, излучения и даже (положительной, ненулевой) нулевой энергии самого пустого пространства. Там, где у вас есть положительная энергия, пространство искривляется в ответ на это; вот почему массивные частицы проявляют явление гравитационного притяжения. До сих пор все, что мы когда-либо обнаруживали во Вселенной, - это материя и энергия с положительными значениями.
Но если вы хотите иметь проходную червоточину, вам нужен какой-то тип материи и/или энергии, который имеет отрицательное значение, по крайней мере, отрицательное по сравнению со средней плотностью энергии во Вселенной. Хотя мы можем создать небольшие области пространства, обладающие этим свойством, например, пустое пространство между двумя параллельными проводящими пластинами, как в установке, демонстрирующей эффект Казимира, не существует известных видов квантов отрицательной энергии.
Если их действительно не существует, дополнительные пространственные измерения, дополнительные поля или какой-то планковский мост (возможно, только для передачи информации, не имеет значения) являются единственными способами. что червоточины могут физически возникать в общей теории относительности.
На этом изображении показан процессор квантового компьютера Sycamore от Google. Хотя архитектура варьировалась от 50 до 70 кубитов, в работе 2022 года, которая утверждала, что имитировала червоточину, использовалось только 9 кубитов. То, что было сделано, было, конечно, интересно, но аналогия с червоточиной чрезвычайно ограничена и во многих отношениях вводит в заблуждение.
Квантовая симуляция
В своей недавней статье авторы создали не настоящую червоточину, а скорее квантовую схему, которая обладает некоторым поведением и свойствами, аналогичными гравитационной червоточине. Это основано на более ранних работах, некоторые из которых необходимо пересказать, чтобы понять важность этой последней работы.
Ранее некоторые члены этой команды придумали сценарий, в котором импульс отрицательной энергии передавался между двумя топологически связанными точками, и этот импульс использовался для целей квантовой телепортации: для передачи квантового состояния от одной «стороны» двух соединенных точек к другой.
Это интересное приложение, но трудно понять, как оно связано с червоточинами и гравитацией. Единственное предположение о связи - и важно подчеркнуть, что это только предположение - состоит в том, что в 2013 году Хуан Малдасена и Леонард Сасскинд предположили, что червоточина или мост Эйнштейна-Розена эквивалентны паре максимально запутанных черных дыр.. Эту связь иногда называют ER=EPR, чтобы отметить, что червоточина (или мост Эйнштейна-Розена) связана с квантовой запутанностью, поскольку первая статья о запутанности была написана ЭПР: Эйнштейн, Борис Подольский и Розен.
Идею о том, что два кванта могут быть мгновенно запутаны друг с другом, даже на больших расстояниях, часто называют самой жуткой частью квантовой физики. Если бы реальность была фундаментально детерминирована и управлялась скрытыми переменными, эту призрачность можно было бы устранить. К сожалению, все попытки покончить с этим типом квантовой странности потерпели неудачу, с такими предположениями, как соответствие AdS/CFT, которые могут включать лежащую в основе объективную реальность, и все они требуют чего-то экзотического и недоказанного, такого как обращение к дополнительным измерениям.
Мы знаем, что полная физическая система слишком сложна и сложна для моделирования с какой-либо надежной точностью, поэтому авторы сделали то, что делают практически все физики-теоретики: они смоделировали более простую аппроксимацию полной задачи, Идея заключалась в том, что при моделировании простого приближения многие из ключевых свойств того, что было бы «настоящей червоточиной», все еще сохранялись бы. Частично из-за ограничений того, что мы можем моделировать с помощью современных технологий, и частично из-за того, насколько люди ограничены в плане качества моделей, которые мы можем создавать, для разработки экспериментальной установки использовалось машинное обучение. По словам Марии Спиропулу из Калифорнийского технологического института, соавтора этой статьи:
«Мы использовали методы обучения, чтобы найти и подготовить простую [аналоговую] квантовую систему, которую можно было бы закодировать в современных квантовых архитектурах и которая сохранила бы [необходимые] свойства… мы упростили микроскопическое описание [аналоговую] квантовую систему и изучили результирующую эффективную модель, которую мы нашли на квантовом процессоре».
Эксперимент показал, что, как и в предыдущем эксперименте, квантовая информация перемещается из одной квантовой системы в другую: еще один пример квантовой телепортации.
Многие квантовые сети на основе запутанности по всему миру, в том числе сети, простирающиеся в космос, разрабатываются для использования жутких явлений квантовой телепортации, квантовых повторителей и сетей, а также других практических аспектов квантовой запутанности. Квантовое состояние «вырезается и вставляется» из одного места в другое, но его нельзя клонировать, копировать или «перемещать», не разрушая исходное состояние. На самом деле никакая информация не передается быстрее света.
Связь между реальной Вселенной и симуляцией «квантовой червоточины»
Почему нас должна волновать эта работа, и чему она учит нас о связи между червоточинами и типами симуляций, которые может выполнять квантовый компьютер?
Обычно трезвый журнал Quanta дал точный и подробный отчет о моделировании, выполненном на квантовом компьютере, но полностью упустил лодку на этом фронте, на что многие другие поспешили правильно указать.
Во-первых, использование квантового компьютера не научило нас ничему, чему мы не могли бы научиться (и не знали заранее!) с помощью классических компьютеров и ручных вычислений. На самом деле, единственная новая вещь, которую сделала эта группа исследователей, состоящая из специалистов по квантовым вычислениям и физиков-теоретиков, заключалась в том, что они смогли использовать машинное обучение для успешного упрощения ранее сложной проблемы до такой, которую можно было смоделировать, используя всего лишь небольшое количество кубитов на квантовом компьютере. Это впечатляющее техническое достижение, и оно заслуживает похвалы за то, что оно есть.
Соответствие AdS/CFT является наиболее известным примером голографического принципа, который утверждает физическое соответствие между внутренним объемом области пространства и свойствами, обнаруженными на поверхности, ограничивающей это пространство. Другие примеры представляют собой математические игровые площадки, имеющие определенную физическую значимость, но эти аналогии фундаментально ограничены точностью, с которой они описывают моделируемые системы.
Но вместо этого многие празднуют это достижение за то, чем оно не является: доказательство того, что червоточины имеют какое-то отношение к нашей физической Вселенной, и/или свидетельство того, что это квантовое моделирование дает представление о том, как червоточины на самом деле вести себя в нашей Вселенной.
Вот некоторые правдивые вещи, которые вы должны знать о том, что на самом деле сделало (и не сделало) недавно разрекламированное исследование.
В их моделировании использовалось всего 9 кубитов. 9 кубитов означает, что закодированная квантовая волновая функция может потребовать не более 512 (поскольку 29=512) комплексных чисел для ее описания, что является достаточно простой волновой функцией, чтобы может быть легко смоделирован на классическом компьютере. На самом деле она была смоделирована на классическом компьютере этими самыми исследователями до моделирования, которое они выполнили на своем квантовом компьютере! (С результатами, идентичными пределам квантовых ошибок, возникающих в процессах квантовых вычислений в 2022 году.)
Другими словами, при выполнении этой симуляции на квантовом компьютере не было обнаружено ничего, кроме поведения, которое они ожидали увидеть даже в этой простой 9-кубитной симуляции. Хотя это служит хорошим предзнаменованием для будущих симуляций в том же духе, оно не дает каких-либо глубоких фундаментальных сведений, кроме демонстрации некоторого потенциала квантовых компьютеров.
Это изображение процессора Sycamore, установленного в сверхпроводящем криостате, иллюстрирует, как выглядит квантовый компьютер Google в настоящее время. Хотя кубиты предлагают некоторые вычислительные преимущества по сравнению с классическими компьютерами, нет ничего, что можно было бы смоделировать на квантовом компьютере и нельзя было бы смоделировать на классическом.
Так что насчет связи с червоточинами? Вы знаете, основанные на гравитации червоточины в Общей теории относительности, которые могут быть применимы к нашей реальной, физической Вселенной?
Это настолько спекулятивно, насколько это возможно. Во-первых, предполагается, что голографический принцип, утверждающий, что все физические свойства внутри объема пространства могут быть закодированы на границе более низкого измерения этого пространства, на самом деле является свойством еще не открытой квантовой теории гравитации. Во-вторых, вместо использования AdS/CFT-соответствия, которое представляет собой установленную математическую эквивалентность между 5D-пространством анти-де Ситтера и 4D-конформной теорией поля, определяющей границу этого пространства, они используют наводящее на размышления соответствие между Sachdev-Ye- Модель Китаева и двумерное пространство анти-де Ситтера.
Это многословно, но это означает, что они моделируют гравитацию в «нашей Вселенной» как имеющую одно временное измерение, одно пространственное измерение и отрицательную космологическую постоянную, а затем принимают то, что может быть математически эквивалентное описание (модель Сачдева-Е-Китаева) и смоделировали его вместо этого. Некоторые из свойств, которые они наблюдали, были аналогичны некоторым поведениям, которые, как ожидается, будет демонстрировать проходимая червоточина, но это не дает понимания того, как проходимая червоточина в нашей реальной Вселенной, управляемая общей теорией относительности (в трех пространственных и одном временном измерениях с положительная космологическая постоянная), будет вести себя.
Если вы хотите смоделировать червоточину такой, какой она могла бы существовать в нашей Вселенной, необходимо показать, что ваша симуляционная или аналоговая система играет по тем же правилам, что и наша Вселенная. Если они играют по другим правилам, нельзя ожидать, что наблюдаемое поведение будет аналогично тому, что происходит в нашей Вселенной.
Здесь нет никаких уроков о квантовой гравитации. Нет никаких уроков о проходимых червоточинах или о том, существуют ли они в нашей Вселенной. Нет даже никаких уроков об уникальности или возможностях квантовых компьютеров, поскольку все, что было сделано на квантовом компьютере, может быть сделано и ранее (без ошибок!) делалось на классическом компьютере. Лучшее, что можно вынести, это то, что исследователи после выполнения сложных расчетов модели Сачдева-Йе-Китаева с помощью классических средств смогли выполнить аналогичный расчет на квантовом компьютере, который фактически возвращал сигнал, а не просто квантовый шум.
Но пора разобраться. Если вы хотите изучить что-то актуальное для нашей Вселенной, используйте структуру, аналогичную которой наша Вселенная. Если вы делаете только аналоговую систему, будьте честны в отношении ограничений аналога и системы; не притворяйтесь, что это то же самое, что вы слишком упрощаете. И не ведите людей по пути принятия желаемого за действительное; это исследование никогда не приведет к созданию настоящей червоточины, и оно не предполагает, что «червоточины существуют», так же как эксперименты со спиновым льдом не предполагают, что «существуют магнитные монополи».
Червоточины и квантовые компьютеры, скорее всего, останутся темами, невероятно интересными для физиков, и дальнейшие исследования модели Сачдева-Е-Китайева, вероятно, продолжатся. Но связи между червоточинами и квантовыми компьютерами практически не существует, и это исследование, несмотря на шумиху, абсолютно ничего не меняет в этом факте.