Fisikawan membuat lubang cacing teoretis dengan komputer kuantum

Fisikawan mengamati dinamika lubang cacing dengan komputer kuantum untuk mempelajari gravitasi kuantum di laboratorium.

Untuk pertama kalinya, para ilmuwan telah mengembangkan eksperimen kuantum yang memungkinkan mereka mempelajari dinamika atau perilaku lubang cacing teoretis tertentu. Eksperimen ini memungkinkan para peneliti untuk memeriksa hubungan antara lubang cacing teoretis dan fisika kuantum, sebuah prediksi dari apa yang dikenal sebagai gravitasi kuantum. Gravitasi kuantum mengacu pada serangkaian teori yang mencoba untuk menggabungkan gravitasi dengan fisika kuantum, dua deskripsi alam yang mendasar dan dipelajari dengan baik yang tampaknya secara inheren tidak sesuai. Perhatikan bahwa percobaan tidak menciptakan lubang cacing yang sebenarnya (terobosan dalam ruang dan waktu yang dikenal sebagai Jembatan Einstein-Rosen).

“Kami telah menemukan sistem kuantum yang memiliki sifat utama dari lubang cacing gravitasi, tetapi cukup kecil untuk diterapkan pada perangkat keras kuantum saat ini,” kata Maria Spiropulu, peneliti utama Program Penelitian Quantum Communication Channels for Fundamental Physics di Kantor Sains AS – Departemen of Energy (QCCFP) dan Profesor Fisika Shang-Yi Ch’en di Caltech.

“Pekerjaan ini merupakan langkah menuju program yang lebih besar untuk menguji fisika gravitasi kuantum dengan komputer kuantum. Itu tidak menggantikan probe langsung gravitasi kuantum dengan cara yang sama seperti percobaan terencana lainnya yang mungkin di masa depan mempelajari efek gravitasi kuantum menggunakan penginderaan kuantum, tetapi itu memberikan testbed yang kuat untuk mengimplementasikan ide-ide gravitasi kuantum.

Penelitian ini dipublikasikan di jurnal Alam pada tanggal 1 Desember. Daniel Jafferis dari Universitas Harvard dan Alexander Zlokapa (BS ’21), alumnus Caltech yang memulai proyek ini untuk tesis sarjananya di Spiropulu dan sejak itu pindah ke sekolah pascasarjana[{” attribute=””>MIT are the study’s first authors.

This illustration of a wormhole (Einstein-Rosen bridge) depicts a tunnel with two ends at separate points in spacetime. A wormhole is a speculative structure connecting disparate points in spacetime, and is based on a special solution of the Einstein field equations.

Wormholes are bridges between two remote regions in spacetime. They have not been observed experimentally, but scientists have theorized about their existence and properties for close to 100 years. In 1935, Albert Einstein and Nathan Rosen described wormholes as tunnels through the fabric of spacetime in accordance with Einstein’s general theory of relativity, which describes gravity as a curvature of spacetime. Researchers call wormholes Einstein–Rosen bridges after the two physicists who invoked them, while the term “wormhole” itself was coined by physicist John Wheeler in the 1950s.

The notion that wormholes and quantum physics, specifically entanglement (a phenomenon in which two particles can remain connected across vast distances), may have a connection was first proposed in theoretical research by Juan Maldacena and Leonard Susskind in 2013. The physicists speculated that wormholes (or “ER”) were equivalent to entanglement (also known as “EPR” after Albert Einstein, Boris Podolsky [PhD ’28], dan Nathan Rosen, yang pertama kali mengusulkan konsep tersebut). Pada dasarnya, karya ini membentuk hubungan teoretis jenis baru antara dunia gravitasi dan fisika kuantum. “Itu adalah ide yang sangat berani dan puitis,” kata Spiropulu tentang karya ER=EPR.

Kemudian, pada tahun 2017, Jafferis bersama rekannya Ping Gao dan Aron Wall memperluas gagasan ER=EPR tidak hanya ke wormhole tetapi juga ke wormhole yang dapat dilalui. Para ilmuwan membayangkan sebuah skenario di mana energi tolak negatif membuat lubang cacing terbuka cukup lama sehingga sesuatu dapat melewatinya dari ujung ke ujung. Para peneliti menunjukkan bahwa deskripsi gravitasi lubang cacing yang dapat dilalui ini sesuai dengan proses yang dikenal sebagai teleportasi kuantum. Dalam teleportasi kuantum adalah protokol yang telah ada terbukti secara eksperimental Informasi diangkut melalui ruang angkasa jarak jauh melalui serat optik dan udara sesuai dengan prinsip keterikatan kuantum.

Karya ini menyelidiki kesetaraan lubang cacing dengan teleportasi kuantum. Tim yang dipimpin Caltech melakukan eksperimen pertama yang mengeksplorasi gagasan bahwa informasi yang berjalan dari satu titik di ruang angkasa ke titik lain dijelaskan dalam bahasa gravitasi (lubang cacing) atau bahasa fisika kuantum (belitan kuantum).

Hasil utama yang mengilhami eksperimen yang mungkin terjadi pada tahun 2015, ketika Alexei Kitaev dari Caltech, Profesor Fisika Teoretis dan Matematika dari Ronald dan Maxine Linde, menunjukkan bahwa sistem kuantum sederhana dapat menunjukkan dualitas yang sama yang kemudian diusulkan oleh Gao, Jafferis, dan Wall how z bahwa dinamika kuantum model sesuai dengan efek gravitasi kuantum. Model Sachdev-Ye-Kitaev atau SYK ini (dinamai Kitaev dan Subir Sachdev dan Jinwu Ye, dua peneliti lain yang sebelumnya mengerjakan pengembangannya) membuat para peneliti percaya bahwa beberapa ide lubang cacing teoretis akan dieksplorasi lebih lanjut melalui eksperimen prosesor kuantum.

Untuk memajukan ide-ide ini, Jafferis dan Gao menunjukkan pada tahun 2019 bahwa dengan melibatkan dua model SYK, peneliti harus dapat melakukan teleportasi lubang cacing, sehingga menghasilkan dan mengukur sifat dinamis yang diharapkan dari lubang cacing yang dapat dilalui.

Dalam studi baru, tim fisikawan melakukan eksperimen semacam itu untuk pertama kalinya. Mereka menggunakan model mirip SYK “bayi” yang dirancang untuk mempertahankan sifat gravitasi, dan mereka mengamati dinamika lubang cacing pada perangkat kuantum di Google, prosesor kuantum Sycamore. Untuk mencapai hal ini, tim pertama-tama harus mereduksi model SYK menjadi bentuk yang disederhanakan, suatu prestasi yang mereka capai dengan menggunakan alat pembelajaran mesin pada komputer tradisional.

“Kami menggunakan teknik pembelajaran untuk menemukan dan menyiapkan sistem kuantum mirip SYK sederhana yang dapat dikodekan dalam arsitektur kuantum saat ini dan yang akan mempertahankan properti gravitasi,” kata Spiropulu. “Dengan kata lain, kami menyederhanakan deskripsi mikroskopis dari sistem kuantum SYK dan memeriksa model efektif yang dihasilkan yang kami temukan pada prosesor kuantum. Aneh dan mengejutkan betapa pengoptimalan pada satu fitur model mempertahankan metrik lainnya! Kami memiliki rencana untuk pengujian lebih lanjut untuk mendapatkan wawasan yang lebih baik tentang model itu sendiri.”

Dalam eksperimen tersebut, para peneliti memasukkan qubit — yang setara dengan bit dalam komputer berbasis silikon konvensional — ke dalam salah satu sistem mereka yang mirip SYK dan mengamati informasi yang keluar dari sistem lain. Informasi berpindah dari satu sistem kuantum ke sistem kuantum lainnya melalui teleportasi kuantum—atau, menggunakan bahasa komplementer gravitasi, informasi kuantum melewati lubang cacing yang dapat dilalui.

“Kami melakukan semacam teleportasi kuantum yang sesuai dengan lubang cacing yang dapat dilalui dalam gambar gravitasi. Untuk melakukan ini, kami harus menyederhanakan sistem kuantum menjadi contoh terkecil yang mempertahankan sifat gravitasi, sehingga kami dapat menerapkannya pada prosesor kuantum Sycamore Google,” kata Zlokapa.

Rekan penulis Samantha Davis, seorang mahasiswa pascasarjana di Caltech, menambahkan, “Kami membutuhkan waktu yang sangat lama untuk mendapatkan hasilnya, dan kami sendiri terkejut dengan hasilnya.”

“Nilai jangka pendek dari jenis eksperimen ini adalah bahwa perspektif gravitasi menyediakan cara mudah untuk memahami fenomena kuantum banyak benda yang misterius,” kata John Preskill, Richard P. Feynman Profesor Fisika Teoretis di Caltech dan direktur Institut Informasi dan Materi Kuantum (IQIM). “Apa yang menurut saya menarik tentang eksperimen Google baru ini adalah, melalui pembelajaran mesin, mereka mampu membuat sistem cukup sederhana untuk disimulasikan pada mesin kuantum yang ada, sambil mempertahankan karikatur yang masuk akal dari apa yang memprediksi gambar gravitasi.”

Dalam studi tersebut, fisikawan melaporkan perilaku wormhole yang diperkirakan dari perspektif gravitasi dan fisika kuantum. Misalnya, sementara informasi kuantum dapat ditransmisikan atau diteleportasi melalui perangkat dalam berbagai cara, proses eksperimental telah terbukti setidaknya agak analog dengan apa yang mungkin terjadi jika informasi berjalan melalui lubang cacing. Untuk melakukan ini, tim berusaha untuk “menopang lubang cacing” menggunakan impuls dengan energi negatif yang menjijikkan atau energi positif yang berlawanan. Mereka mengamati tanda kunci dari lubang cacing yang dapat dilalui hanya ketika energi negatif yang setara diterapkan, yang merupakan perilaku yang diharapkan dari lubang cacing.

“Fidelitas tinggi dari prosesor kuantum yang kami gunakan sangat penting,” kata Spiropulu. “Jika tingkat kesalahan 50 persen lebih tinggi, sinyalnya akan benar-benar dikaburkan. Jika mereka setengah, kita akan mendapatkan sinyal 10 kali lipat!”

Di masa depan, para peneliti berharap dapat memperluas pekerjaan ini ke sirkuit kuantum yang lebih kompleks. Meskipun komputer kuantum nyata mungkin masih bertahun-tahun lagi, tim berencana untuk terus melakukan eksperimen jenis ini pada komputer yang sudah ada[{” attribute=””>quantum computing platforms.

“The relationship between quantum entanglement, spacetime, and quantum gravity is one of the most important questions in fundamental physics and an active area of theoretical research,” says Spiropulu. “We are excited to take this small step toward testing these ideas on quantum hardware and will keep going.”

Reference: “Traversable wormhole dynamics on a quantum processor” by Daniel Jafferis, Alexander Zlokapa, Joseph D. Lykken, David K. Kolchmeyer, Samantha I. Davis, Nikolai Lauk, Hartmut Neven and Maria Spiropulu, 30 November 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-05424-3

The study was funded by the U.S. Department of Energy Office of Science via the QCCFP research program. Other authors include: Joseph Lykken of Fermilab; David Kolchmeyer, formerly at Harvard and now a postdoc at MIT; Nikolai Lauk, formerly a postdoc at Caltech; and Hartmut Neven of Google.