Ученые Гарвардского университета и Калифорнийского технологического института впервые создали модель проходимой кротовой норы на квантовом процессоре Google Sycamore и наблюдали ключевые физические свойства червоточины, предсказанные ранее. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
В 2013 году физики Хуан Малдасена и Леонард Сасскинд показали, что передача квантовой информации через кротовую нору (ER) может быть эквивалентна квантовой телепортации (EPR), что стало известно как принцип ER = EPR. В этом случае кротовая нора должна быть стабильной и проходимой, что достигается благодаря влиянию гравитации на квантовые эффекты, создаваемые между внешними областями связанных черных дыр. В новой экспериментальной работе исследователям удалось смоделировать проходимую кротовую нору с помощью квантового процессора, созданного Google.
Антидеситтеровское пространство (АДС) — это пространство, кривизна которого противоположна кривизне ускоренно расширяющейся Вселенной. Умозрительное растягивание АДС на двумерной плоскости увеличивает размеры центральных областей и уменьшает области на краях, что напоминает картины Эшера «Предел круга III». Такая кривизна создает гравитационное поле, притягивающее объекты к центру пространства, и при этом ничего не может коснуться границ АДС.
Физик-теоретик Хуан Малдасена в 1977 году показал, что «мир 3+1», который представлен АДС с тремя пространственными измерениями и одним временным измерением, эквивалентен двухмерному миру «2+1». Двухмерный мир, представляющий собой математическое описание квантовых полей, является своеобразной границей, на которой отображается все, что происходит в «мире 3+1». Эта концепция, которая стала основой голографического принципа, известна под названием AdS/CFT-соответствия. Важной особенностью является то, что «мир 2+1», лишенный гравитации, является альтернативным способом описания АДС с гравитацией.
Ученые рассмотрели пару черных дыр, чьи внутренние части соединены мостом Эйнштейна-Розена, как соответствующую червоточине в двухмерном антидеситтеровском пространстве (АДС2). В свою очередь, червоточина в АДС2 может быть описана моделью Сачдева-Йе-Китаева (SYK), которая связывает квантовую запутанность с AdS/CFT-соответствием. Иными словами, SYK является реализацией голографического принципа, позволяя свести гравитационные свойства червоточины к квантовой системе с запутанностью. В своей работе исследователи использовали еще более упрощенную SYK-модель, чтобы реализовать протокол квантовой телепортации, эквивалентной проходимой червоточине в АДС2, с помощью схемы всего из девяти кубитов.
Оказалось, несмотря на приблизительный характер SYK, модель сохранила ключевые свойства физики червоточины, в том числе гравитационные. Например, чтобы достигнуть квантовой телепортации, ученым пришлось сгенерировать в системе кубитов «ударную волну» отрицательной энергии. Это соответствует предсказанию, согласно которому для проходимой кротовой норы требуется экзотическая материя. По словам ученых, результаты показывают, что квантовые процессоры можно использовать для создания моделей в области квантовой гравитации.