فیزیک‌دان‌ها یک «کرم‌چاله» ساده را روی رایانه کوانتومی شبیه‌سازی کردند+فیلم

نتایج یک آزمایش جدید با شبیه‌سازی «کرم‌چاله» روی یک رایانه کوانتومی نشان داده است که می‌توان از این رایانه‌ها برای آزمایش و راستی‌آزمایی نظریه‌های فیزیک بنیادی استفاده کرد.

کد خبر: ۵۵۰۳۱۱

تاریخ: ۱۳ آذر ۱۴۰۱ - ۱۱:۱۰

به گزارش گروه علم و آموزش ایران اکونومیست از پایگاه خبری «سینگولاریتی‌هاب»، «کرم‌چاله‌ها» ممکن است پدیده‌ای مربوط به سریال‌ علمی – تخیلی «پیشتازان فضا» به نظر برسند تا یک مقاله تحقیقاتی، اما دانشمندان به تازگی یک کرم‌چاله را روی رایانه کوانتومی «سیکامور» Sycamore شرکت گوگل شبیه‌سازی کردند. نتایج این آزمایش نشان داده است که از این رایانه‌های کوانتومی می‌توان برای آزمایش و راستی‌آزمایی نظریه‌های فیزیکی بنیادی استفاده کرد.

احتمال وجود کرم‌چاله‌ها برای اولین بار در مقاله ای در سال ۱۹۳۵ توسط آلبرت انیشتین و ناتان روزن بیان شد. در بیان به زبان ساده و کلی،‌ آنها کرم‌چاله را به مثابه پلی میان فضا و زمان (فضا-زمان) توصیف کردند که دو سیاهچاله را در مکان های مختلف به هم متصل می کند.

نمایش‌های علمی تخیلی اغلب این پل‌ها را به‌ عنوان راهی برای سفر سریع از یک مکان به مکان دیگر با پرواز یک سفینه فضایی از یک سر و بیرون آمدن از سر دیگر کرم‌چاله به تصویر می‌کشند.

اما در جهان واقعی، کرم‌چاله‌ها عموما قابل عبور نیستند و اگر چیزی بخواهد از میان آنها عبور کند، بلافاصله فرو می‌ریزد. اما برخی نظریه‌ها حاکی هستند که پدیده‌های عجیب و غریب مانند ماده با انرژی منفی می‌تواند به حفظ و پایداری یک کرم‌چاله برای مدت کافی کمک کند و اجازه دهد که چیزی از میان آن عبور کند.

از آنجایی که ما هرگز حتی با یک کرم چاله در دنیای واقعی مواجه نشده ایم، آزمایش تجربی چنین ایده‌هایی دشوار است. اما اکنون، محققان نشان داده اند که می توانند از یک پردازنده کوانتومی برای شبیه سازی جنبه های کلیدی این نوع کرم‌چاله قابل عبور در آزمایشگاه استفاده کنند.

«ماریا اسپیروپولو» (Maria Spiropulu) از دست‌اندرکاران اصلی این تحقیق علمی از موسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech) در بیانیه‌ای مطبوعاتی گفت: ما یک سیستم کوانتومی پیدا کردیم که ویژگی‌های کلیدی یک کرم‌چاله گرانشی را نشان می‌دهد و با این حال به اندازه کافی کوچک است که بتوان آن را روی سخت‌افزار کوانتومی اجرا کرد. این کار گامی به سوی یک برنامه بزرگتر برای آزمایش فیزیک گرانش کوانتومی با استفاده از یک رایانه کوانتومی است.

این آزمایش بر یک ایده نیرومند از فیزیک نظری به نام اصل هولوگرافی تکیه داشت که تلاش می‌کند دو تا از بهترین نظریه‌های ما درباره نحوه عملکرد جهان - مکانیک کوانتومی و نسبیت عام - را که در شکل کنونی خود ناسازگار هستند، به هم مرتبط کند.

این ایده نام خود را از هولوگرام‌ها گرفته است یعنی سطوح دو بعدی که می توانند تصویر سه بعدی را بازنمایی (project) کنند. به همین ترتیب، اصل هولوگرافی بیان می کند که تمام اطلاعات مورد نیاز برای توصیف واقعیت سه بعدی پیچیده ای که در آن زندگی می‌کنیم، در واقع روی یک سطح دو بعدی دور کدگذاری شده است. هر چند که ممکن است درک این موضوع سخت باشد، یک پیامد مهم این ایده این است که یک پیوند ریاضی بین فیزیک کلاسیک نسبیت عام و جهان غامض مکانیک کوانتومی ایجاد می‌کند. تکه ای از فضا-زمان سه بعدی که توسط اولی (فیزیک کلاسیک نسبیت عام) توصیف شده باشد، معادل یک سیستم از ذرات کوانتومی بر روی یک سطح دو بعدی در دوردست است.

این «دوگانگی» (duality) فراتر از حل پرسش‌های بنیادین عالم کیهانی، از لحاظ نظری امکان طراحی سیستم‌های کوانتومی را که معادل ساختارهای ماکروسکوپی (macroscopic) در فضا-زمان هستند، ممکن می‌سازد. این دقیقاً همان رویکردی است که تیم تحقیقاتی همکار اسپیروپولو برای شبیه‌سازی یک کرم‌چاله قابل عبور در یک مدار کوانتومی ۹ کیوبیتی (qubit) استفاده کرد. نتایج این تحقیق در یک مقاله‌ منتشرشده در نشریه «طبیعت» (Nature) توضیح داده شده است.

Playback Rates

0.5x1x1.25x1.5x2x

Rewind 10 Seconds

Next Up

Live

00:00

00:00

00:10

Chromecast

Closed Captions

Settings

Fullscreen

آزمایش آنها بر اساس مجموعه‌ای از کارهای تحقیقاتی قبلی انجام شد که نشان می‌دهد دو مجموعه از ذرات با الگوی درهم‌تنیدگی خاصی می‌توانند از نظر ریاضی معادل یک جفت سیاه‌چاله باشند که توسط یک کرم‌چاله به هم متصل شده‌اند. مهمتر از آن، انتقال کوانتومی از راه دور اطلاعات بین این دو مجموعه از ذرات، معادل اطلاعات کوانتومی عبوری از کرم‌چاله است.

محققان برای آزمایش این ایده، سیستم کوانتومی را روی پردازنده رایانه سیکامور اجرا و سپس یک واحد اطلاعات کوانتومی یا کیوبیت را به یک مجموعه از ذرات وارد کردند. آنها مشاهده کردند که این واحد اطلاعات از مجموعه ذرات دیگر بیرون آمد در حالی که مساله مهم این بود که همان دینامیکی را نمایش داد که حین عبور از یک کرم‌چاله در مقیاس بزرگتر انتظار می‌رفت.

با این حال ذکر این نکته مهم است که در مورد این آزمایش باید هشدارهای احتیاطی را در نظر گرفت. کرم‌چاله‌هایی که این گروه تحقیقاتی شبیه‌سازی ‌کردند و در واقع حتی اصل هولوگرافیک که بر اساس آن استوار شده‌اند، در نوعی از جهان فرضی قرار دارد که بسیار متفاوت از جهان ما عمل می‌کند. علاوه بر این، آزمایش‌های آنها فقط دو بُعد مکان و زمان را در نظر گرفت.

با توجه به اندازه کوچک سیستم کوانتومی مورد استفاده در این آزمایش، انجام این شبیه سازی روی یک رایانه معمولی (متعارف / غیرکوانتومی) نیز کاملاً امکان پذیر است. اما ارزش این کار ممکن است بیش از آنکه در نوع خاص آزمایش باشد، در این اصل نهفته باشد که رایانه‌های کوانتومی می‌توانند به آزمایش ایده‌های مطرح شده در فیزیک نظری یاری برسانند.

اسپیروپولو در این خصوص گفت: رابطه بین درهم‌تنیدگی کوانتومی، فضا-زمان و گرانش کوانتومی یکی از مهم‌ترین سؤالات در فیزیک بنیادی و یک حوزه مهم در تحقیقات نظری است. ما از برداشتن این گام کوچک در جهت آزمایش این ایده ها بر روی سخت افزار کوانتومی هیجان زده هستیم و به این تحقیقات ادامه خواهیم داد.