ワームホールは、1935 年にアルバート アインシュタインとネイサン ローゼンによって理論化された、ある場所から別の場所へと空間の余分な次元を通過することでつながる一種のトンネルです。

ワームホールは、小さな超伝導回路に保存された情報の量子ビット、つまり「キュービット」からホログラムのように出現しました。 量子ビットを操作することにより、物理学者はワームホールを介して情報を送信しました。 今日報告 ジャーナルで 自然.

率いるチームは、 マリア・スピロプル カリフォルニア工科大学の教授は、カリフォルニア州サンタバーバラにある Google Quantum AI に収容された Sycamore と呼ばれるデバイスである Google の量子コンピューターを使用して、新しい「ワームホール テレポーテーション プロトコル」を実装しました。 スピロプルが説明したように、この種の最初の「チップ上の量子重力実験」で、彼女と彼女のチームは競合する物理学者のグループを打ち負かしました ワームホールテレポーテーションを目指す人 IBM と Quantinuum の量子コンピューターで。

Spiropulu は、量子ビットがワームホールを通過していることを示す調号を見たとき、「私は震えました」と言いました。

この実験は、ホログラフィック原理の証拠と見なすことができます。これは、基礎物理学の 1930 つの柱である量子力学と一般相対性理論がどのように組み合わされるかについての包括的な仮説です。 物理学者は 1990 年代以来、これらのバラバラな理論を調整するために努力してきました。3 つは原子と亜原子粒子のルールブックであり、もう 2 つは物質とエネルギーがどのように時空構造をゆがめ、重力を生成するかについてのアインシュタインの記述です。 XNUMX 年代から主流となっているホログラフィック原理は、XNUMX つのフレームワークの間に数学的な同等性または「二重性」を仮定しています。 それは、一般相対性理論によって記述される曲がりくねった時空の連続体は、実際には変装した粒子の量子システムであると言います. XNUMXD ホログラムが XNUMXD パターンから突出するように、時空と重力は量子効果から生じます。

実際、新しい実験は、量子コンピューターで制御できるタイプの量子効果が、相対性理論で見られると予想される現象、つまりワームホールを引き起こす可能性があることを確認しています。 Sycamore チップの量子ビットの進化するシステムには、「この非常にクールな別の説明があります」と述べています。 ジョン・プレスキル、カリフォルニア工科大学の理論物理学者で、実験には関与していませんでした。 「このシステムは、非常に異なる言葉で言えば、重力であると考えることができます。」

はっきり言って、通常のホログラムとは異なり、ワームホールは目に見えるものではありません。 共著者によると、それは「現実の時空のフィラメント」と見なすことができますが、 ダニエル・ジャフェリス ワームホール テレポーテーション プロトコルの主任開発者であるハーバード大学の博士は、私たちとシカモア コンピューターが生息する同じ現実の一部ではありません。 ホログラフィックの原理によると、ワームホールのある現実と量子ビットのある現実という XNUMX つの現実は、同じ物理学の代替バージョンですが、この種の二重性をどのように概念化するかは謎のままです。

結果の根本的な意味については意見が分かれるでしょう。 重要なことに、実験で使用されたホログラフィック ワームホールは、私たち自身の宇宙の時空とは異なる種類の時空で構成されています。 この実験が、私たちが住んでいる時空もホログラフィックであり、量子ビットによってパターン化されているという仮説を助長するかどうかは議論の余地があります.

「私たちの宇宙の重力は、この小さな赤ん坊の一次元ワームホールがシカモア チップから出現するのと同じように、いくつかの量子 [ビット] から出現するのは事実だと思います」と Jafferis 氏は述べています。 「もちろん、私たちはそれを確実に知っているわけではありません。 私たちはそれを理解しようとしています。」

ワームホールへ

ホログラフィック ワームホールの話は、1935 年に発行された、一見無関係に見える XNUMX つの論文にまでさかのぼります。 XNUMXつ ERとして知られるアインシュタインとローゼンによって、 他の 二人とEPRとして知られるボリス・ポドルスキーによる。 ER と EPR の両方の論文は、当初、偉大な E の限界作品と判断されていました。

ER の論文で、アインシュタインと彼の若い助手であるローゼンは、一般相対性理論をすべての統一理論に拡張しようとしているときに、ワームホールの可能性に出くわしました。 彼らは、アインシュタインが理論を発表してからわずか数か月後の1916年に、ドイツの物理学者で兵士のカール・シュヴァルツシルトが一般相対性理論の襞の中で見つけた時空構造の思わぬ障害にたどり着きました。 シュヴァルツシルトは、質量が重力によって引き寄せられ、一点に無限に集中し、そこで時空が急激に湾曲し、変数が無限になり、アインシュタインの方程式が機能しなくなることを示しました。 私たちは今、これらの「特異点」が宇宙全体に存在することを知っています。 それらは私たちが説明することも見ることもできない点であり、近くのすべての光を重力で閉じ込めるブラックホールの中心に隠されています. 特異点は、量子重力理論が最も必要とされる場所です。

アインシュタインとローゼンは、シュヴァルツシルトの数学が素粒子を一般相対論に結び付ける方法である可能性があると推測しました。 絵をうまく機能させるために、彼らは彼の方程式から特異点を切り取り、鋭い点を時空の別の部分にスライドする異次元のチューブに置き換える新しい変数に交換しました。 アインシュタインとローゼンは、これらの「ブリッジ」(またはワームホール) が粒子を表している可能性があると、間違ってはいますが先見の明のある主張をしました。

皮肉なことに、ワームホールと粒子を結び付けようとする際、XNUMX 人は XNUMX か月前に EPR 論文で Podolsky と特定した奇妙な粒子現象、量子エンタングルメントを考慮していませんでした。

エンタングルメントは、XNUMX つの粒子が相互作用するときに発生します。 量子規則によれば、粒子は一度に複数の可能な状態を持つことができます。 これは、各粒子が最初にどの状態にあるかに応じて、粒子間の相互作用が複数の結果をもたらすことを意味します。 ただし、結果として得られる状態は常にリンクされます — 粒子 A がどのように終了するかは、粒子 B がどのようになるかによって異なります。 このような相互作用の後、粒子は、それらが存在する可能性のあるさまざまな結合状態を指定する共有式を持ちます。

EPR の著者が量子論に疑問を抱くようになった衝撃的な結果は、アインシュタインが言ったように、「遠く離れた不気味な行動」です。 Bがどんなに離れていても。

1990 年代に物理学者がエンタングルメントによって新しい種類の計算が可能になることを発見して以来、エンタングルメントの重要性が認識されるようになりました。 0 つのキュービット (1 と 0 の 0 つの可能な状態で存在する粒子のような量子オブジェクト) をもつれさせると、異なる尤度 (0 と 1、1 と 0、1 と 1、0 と 1) を持つ 54 つの可能な状態が生成されます。 XNUMX つの量子ビットは XNUMX つの同時可能性を生み出します。 「量子コンピューター」の能力は、絡み合った量子ビットが追加されるたびに指数関数的に増大します。 もつれを巧みに調整すると、計算の答えを与えるシーケンスを除いて、XNUMX と XNUMX のすべての組み合わせをキャンセルできます。 Google の XNUMX キュービット Sycamore マシンを筆頭に、ここ数年で数十キュービットで構成されるプロトタイプの量子コンピューターが実現しました。

一方、量子重力の研究者は別の理由で量子エンタングルメントに固執してきました:時空ホログラムのソースコードの可能性として。

ER = EPR

創発的な時空とホログラフィーの話は、1980 年代後半にブラック ホール理論家のジョン ウィーラーが時空とその中のすべてが情報から発生する可能性があるという見解を公布した後に始まりました。 すぐに、オランダの物理学者 Gerard 't Hooft を含む他の研究者は、この出現がホログラムの投影に似ているのではないかと考えました。 例は、ブラック ホールの研究や弦理論に現れていました。そこでは、物理的なシナリオの 1994 つの説明が、XNUMX つの余分な空間次元を持つ同等に有効なビューに変換される可能性があります。 XNUMX 年の論文で「ホログラムとしての世界" レナード・サスキンド、スタンフォード大学の量子重力理論家は、一般相対性理論によって記述される曲がった時空のボリュームが、領域の低次元上の量子粒子のシステムと同等または「二重」であると主張して、't Hooft のホログラフィック原理を具体化しました。境界。

ホログラフィーの重要な例が XNUMX 年後に到着しました。 ファン・マルダセナ、現在ニュージャージー州プリンストンの高等研究所にいる量子重力理論家、 発見 アンチ・デ・シッター (AdS) 空間と呼ばれる一種の空間が実際にホログラムであること。

実際の宇宙はド・シッター空間であり、それ自体の正のエネルギーによって外側に押し出され、成長を続ける球体です。 対照的に、AdS 空間には、一般相対性理論の方程式の XNUMX つの定数の符号の違いから生じる負のエネルギーが注入されており、空間に「双曲的」幾何学を与えています。外側の境界で無限小になります。 Maldacena は、AdS ユニバース内の時空と重力が境界上の量子システム (具体的には共形場理論 (CFT) と呼ばれるシステム) の特性に正確に対応することを示しました。

この「AdS/CFT 対応」を記述した Maldacena の 1997 年の衝撃的な論文は、その後の研究で 22,000 回 (平均して XNUMX 日に XNUMX 回以上) 引用されています。 「AdS/CFT に基づいてアイデアを活用しようとすることは、何十年もの間、何千人もの最高の理論家の主な目標でした」と彼は言いました。 ピーター・ウォイト、コロンビア大学の数理物理学者。

Maldacena 自身が、動的時空と量子システムの間の AdS/CFT マップを調査したときに、ワームホールに関する新しい発見をしました。 彼は、XNUMX つのセットの粒子が関与する特定のエンタングルメント パターンを研究していました。このパターンでは、一方のセットの各粒子が他方のセットの粒子と絡み合っています。 マルダセナ 示されました この状態は、かなり劇的なホログラムと数学的に二重であることがわかります。その内部はワームホールを介して接続されている AdS 空間の一対のブラック ホールです。

2013 年に Maldacena が (「率直に言って、覚えていない」という状況下で)、彼の発見が量子エンタングルメントとワームホールを介した接続との間のより一般的な対応を意味する可能性があることに気付くまでに XNUMX 年が経過しなければなりませんでした。 彼は Susskind への電子メールで不可解な小さな方程式 — ER = EPR — を作り出しました。Susskind はすぐに理解しました。 二人は急いで 推測を展開した 「XNUMX つのブラック ホール間のアインシュタイン ローゼン ブリッジは、XNUMX つのブラック ホールの微小状態間の EPR のような相関関係によって作成されると主張します。」そして、双対性はそれよりも一般的である可能性があります。と思う どれか EPR 相関システムは、ある種の ER ブリッジによって接続されています。」

おそらく、ワームホールは、宇宙のすべての絡み合った粒子のペアをリンクし、それらの共有履歴を記録する空間接続を構築します. ワームホールが粒子と関係があるというアインシュタインの予感は正しかったのかもしれません。

頑丈な橋

Jafferis は 2013 年の会議で Maldacena の ER = EPR に関する講義を聞いたとき、推測された双対性により、エンタングルメント パターンを調整することでオーダーメイドのワームホールを設計できるはずであることに気付きました。

標準的なアインシュタイン・ローゼン橋は、あらゆる場所の SF ファンにとってがっかりさせられます。橋が形成されると、宇宙船やその他の何かが通り抜けるずっと前に、自力の重力ですぐに崩壊し、挟まれてしまいます。 しかし、Jafferis は、ワームホールの 14 つの口をエンコードする XNUMX 組の絡み合った粒子間にワイヤーまたはその他の物理的な接続を張ることを想像しました。 この種の結合では、一方の粒子を操作すると、もう一方の粒子に変化が生じ、粒子間にワームホールが開いてしまう可能性があります。 「それがワームホールを通過可能にしているのでしょうか？」 ジャフェリスは疑問に思いました。 子供の頃からワームホールに魅了されていた — 物理学の天才である彼は、XNUMX 歳でイェール大学に入学しました — ジャフェリスは、「ほとんど楽しみのために」その質問を追求しました。

ハーバードに戻ると、彼と ピン・ガオ、当時の彼の大学院生、そして アロン・ウォール、その後、客員研究員は、最終的に、実際には、絡み合った粒子のXNUMXつのセットを結合することにより、左側のセットで操作を実行できると計算しました右手の口に入れ、キュービットを押します。

ジャフェリス、ガオ、ウォールズ 2016年の発見 このホログラフィックで通過可能なワームホールは、研究者にホログラフィーの力学への新しい窓を与えました。 「外側から正しいことをすれば、最終的に通り抜けることができるという事実は、ワームホールの内側を見ることができることも意味します」とジャフェリスは言いました. 「これは、絡み合った XNUMX つのシステムが何らかの接続されたジオメトリによって記述されるという事実を調べることが可能であることを意味します。」

数か月以内に、Maldacena と XNUMX 人の同僚は、通過可能なワームホールが単純な設定で実現できることを示すことで、スキームを構築しました。

SYK モデルは、通常のペアではなくグループで相互作用する物質粒子のシステムです。 1993 年に Subir Sachdev と Jinwu Ye によって最初に説明されたこのモデルは、2015 年に理論物理学者が アレクセイ・キタエフ ホログラフィックであることを発見しました。 その年のカリフォルニア州サンタバーバラでの講演で、Kitaev (SYK の K になった) は、物質粒子が XNUMX つのグループで相互作用するモデルの特定のバージョンが数学的に XNUMX 次元の黒にマッピング可能であるという証拠でいくつかの黒板を埋めました。同一の対称性と他の特性を持つ、AdS空間の穴。 「XNUMXつのケースでいくつかの答えは同じです」と彼は熱心な聴衆に語った. マルダセナは最前列に座っていた。

点をつなぐ、マルダセナと共著者 提案された 一緒にリンクされた2019つのSYKモデルは、Jafferis、Gao、およびWallの通過可能なワームホールのXNUMXつの口をエンコードできます. ジャフェリスとガオが駆け寄ってきた。 XNUMX 年までに、彼らは 具体的な処方箋 XNUMX方向に相互作用する粒子のあるシステムから別のシステムに情報の量子ビットをテレポートするため。 すべての粒子のスピン方向を回転させると、XNUMX つの時空画像では、負のエネルギーの衝撃波がワームホールを通り抜け、キュービットを前方に蹴り出し、予測可能なタイミングで口から吐き出します。

「Jafferis のワームホールは、ER = EPR の最初の具体的な実現であり、特定のシステムに対してその関係が正確に成り立つことを示しています」と述べています。 アレックス・ズロカパ、マサチューセッツ工科大学の大学院生であり、新しい実験の共著者。

研究室のワームホール

2012 年のヒッグス粒子の発見に関与した優秀な実験素粒子物理学者である Maria Spiropulu は、理論的研究が発展するにつれて、初期の量子コンピューターを使用してホログラフィック量子重力実験を行う方法について考えていました。 2018 年、彼女は Jafferis を説得して、Sycamore デバイスのキーパーである Google Quantum AI の研究者と共に成長中のチームに参加させました。

Jafferis と Gao のワームホール テレポーテーション プロトコルを最先端の、まだ小さくエラーが発生しやすい量子コンピューターで実行するために、Spiropulu のチームはプロトコルを大幅に簡素化する必要がありました。 完全な SYK モデルは、50 方向の相互作用が全体で発生するため、ランダムな強度で相互に結合された実質的に無限に多くの粒子で構成されます。 これは計算できません。 利用可能な XNUMX 奇数の量子ビットをすべて使用したとしても、数十万回の回路操作が必要になります。 研究者たちは、わずか XNUMX 個の量子ビットと数百回の操作でホログラフィック ワームホールの作成に着手しました。 これを行うには、モデルのホログラフィック特性を保持しながら、XNUMX 粒子 SYK モデルを「スパース化」して、最も強い XNUMX 方向相互作用のみをエンコードし、残りを除外する必要がありました。 「それを行う賢い方法を見つけるのに数年かかりました」とスピロプルは言いました。

成功の秘訣の XNUMX つは、カリフォルニア工科大学の学部生としてスピロプルの研究グループに加わったワイフィッシュ オーケストラの子供、ズロカパでした。 才能のあるプログラマーである Zlokapa は、SYK モデルの粒子相互作用をニューラル ネットワークのニューロン間の接続にマッピングし、主要なワームホール シグネチャを保持しながら、できるだけ多くのネットワーク接続を削除するようにシステムをトレーニングしました。 この手順により、XNUMX 方向の対話の数が数百から XNUMX に減少しました。

そこで、チームは Sycamore の量子ビットのプログラミングを開始しました。 14 つのキュービットが 0 の物質粒子をエンコードします。左と右の SYK システムにそれぞれ 1 つずつあり、左側のすべての粒子が右側の粒子と絡み合っています。 次に、状態 XNUMX と状態 XNUMX の確率的な組み合わせである XNUMX 番目のキュービットが、左側の SYK モデルの粒子の XNUMX つと交換されます。 そのキュービットの可能な状態は、左側にある他の粒子の状態とすぐに絡み合い、水にインク滴が落ちたように、粒子間で情報が均等に広がります。 これは、AdS 空間の XNUMX 次元ワームホールの左口に入る量子ビットとホログラフィックに二重です。

次に、ワームホールを通過する負のエネルギーのパルスに対応する、すべてのキュービットの大きな回転が発生します。 回転により、注入された量子ビットが右側の SYK モデルの粒子に移動します。 その後、情報は拡散しなくなり、「カオスが逆流するように」、右側の単一の粒子の場所に再び焦点を合わせます。交換された左側の粒子の絡み合ったパートナーです。 次に、キュービットの状態がすべて測定されます。 多くの実験的な実行で 0 と 1 を集計し、これらの統計を注入されたキュービットの準備された状態と比較すると、キュービットがテレポートしているかどうかが明らかになります。

研究者は、XNUMX つのケースの違いを表すデータのピークを探します。ピークが見られる場合、負のエネルギー パルスに対応するキュービットの回転がキュービットのテレポートを可能にし、反対方向の回転は、通常の正のエネルギーのパルスに対応し、キュービットを通過させません。 (代わりに、ワームホールを閉じます。)

XNUMX 月のある夜遅く、XNUMX 年間の段階的な改善とノイズ低減の取り組みの後、Zlokapa は、大学院の最初の学期の後に冬休みを過ごしていたサンフランシスコ ベイエリアの子供時代の寝室から離れた場所にある Sycamore で完成したプロトコルを実行しました。 .

コンピューターの画面にピークが現れました。

「それはますます鋭くなり続けました」と彼は言いました。 「私はマリアにピークのスクリーンショットを送信し、非常に興奮して、『今ワームホールが見えると思います』と書いていました。ピークは、「量子コンピューターで重力を見ることができた最初の兆候」でした。

Spiropulu は、彼女が見たきれいではっきりとしたピークをほとんど信じられなかったと言います。 「ヒッグス発見の最初のデータを見たときと非常によく似ていました」と彼女は言いました。 「予期していなかったからではありませんが、あまりにも多くのことを目の当たりにしました。」

驚くべきことに、ワームホールの骨格は単純であるにもかかわらず、研究者はワームホール ダイナミクスの XNUMX つ目の特徴を検出しました。これは、「サイズ ワインディング」として知られる量子ビット間で情報が拡散および非拡散する方法の繊細なパターンです。 SYKモデルをスパース化したため、この信号を保持するようにニューラルネットワークをトレーニングしていませんでした。そのため、とにかくサイズワインディングが現れるという事実は、ホログラフィーに関する実験的発見です.

「このサイズワインディングプロパティについては何も要求しませんでしたが、飛び出しただけであることがわかりました」と Jafferis 氏は言います。 これにより、ホログラフィック二重性の「堅牢性が確認された」と彼は言いました。 「XNUMX つの [プロパティ] を表示すると、残りのすべてが得られます。これは、この重力図が正しいものであるという一種の証拠です。」

ワームホールの意味

ワームホール実験 (またはその他の実験) の一部になるとはまったく予想していなかった Jafferis は、最も重要なポイントの XNUMX つは、実験が量子力学について何を示しているかだと考えています。 もつれのような量子現象は通常、不透明で抽象的です。 たとえば、粒子 A の測定値が B の状態を遠くからどのように決定するかはわかりません。 しかし、新しい実験では、言葉では言い表せない量子現象 — 粒子間の情報テレポート — が、粒子がエネルギーのキックを受け取り、計算可能な速度で A から B に移動するという具体的な解釈を示しています。キュービットのビュー。 それは因果的に動く」とジャフェリスは言った。 おそらく、テレポーテーションのような量子プロセスは、「常にその量子ビットに重力を感じます。 この実験や関連する他の実験からそのような結果が得られれば、私たちの宇宙について何か深いことが明らかになるでしょう。」

今日の結果を早期に見た Susskind は、重力の量子特性を調査する方法として、ワームホールの内部を調査するために、より多くのキュービットを含む将来のワームホール実験を使用できることを望んでいると述べました。 「通過したものを測定することで、それを調査し、内部に何があったかを確認します」と彼は言いました。 「それは興味深い方法のように思えます。」

一部の物理学者は、実験は量子力学と反ド・シッター空間の二重性を認識しているため、この実験は私たちの宇宙について何も教えてくれないと言うでしょう。

Maldacena が AdS/CFT 対応を発見してから 25 年間、物理学者は、de Sitter 空間の同様のホログラフィック二重性を求めてきました — 量子システムから、私たちが住んでいるプラスのエネルギーを与えられ、拡大している de Sitter 宇宙へのマップです。 AdS よりもはるかに遅いため、de Sitter 空間がホログラフィックであるかどうかを疑う人もいます。 「『これを dS のより物理的なケースで機能させるにはどうしたらよいでしょうか?』のような質問です。 AdS/CFT 研究の批評家である Woit 氏は、次のように述べています。 「必要なのは、まったく異なるアイデアです。」

批評家は、XNUMX 種類の空間は明確に異なると主張しています。AdS には外側の境界があり、dS 空間にはありません。 AdS 空間のハード バウンダリこそが、その設定でホログラフィーを容易にし、空間を投影するための量子面を提供するものです。 比較すると、私たちの de Sitter 宇宙では、唯一の境界は私たちが見ることができる最も遠いところと無限の未来です. これらは、時空ホログラムを投影しようとするぼやけた表面です。

ルナーテ・ロル、オランダのラドバウド大学の著名な量子重力理論家も、ワームホール実験は2D時空に関係していることを強調しました. 「4D のおもちゃのモデルの複雑さに巻き込まれるのはかなり魅力的です」と彼女は電子メールで言いました。 その理論では、現在の機能を備えた量子コンピューターがどのように役立つかはわかりませんが、喜んで訂正します。」

ほとんどの量子重力研究者は、これらはすべて難しいが解決可能な問題であると考えています.4D de Sitter空間を織り成すエンタングルメントパターンは2D AdSよりも複雑ですが、ホログラフィーをより単純な設定で研究することで一般的な教訓を引き出すことができます. この陣営は、dS と AdS という XNUMX つのタイプのスペースを、異なるというよりも似ていると見なす傾向があります。 どちらもアインシュタインの相対性理論の解であり、マイナス記号が異なるだけです。 dS と AdS の両方の宇宙には、同じパラドックスに襲われたブラック ホールが含まれています。 そして、AdS 空間の外壁から遠く離れた奥深くにいると、周囲と de Sitter をほとんど区別できなくなります。

それでも、Susskind 氏は、今こそ現実化する時であることに同意します。 「AdS スペースの保護層の下から抜け出し、宇宙論ともっと関係があるかもしれない世界に切り開く時が来たと思います」と彼は言いました。 「デ・シッター空間は別の獣です。」

そのために、Susskind は新しい考えを持っています。 の プレプリント XNUMX 月にオンラインで投稿された彼は、デ シッター空間は SYK モデルの異なるバージョンのホログラムである可能性があると提案しました。粒子の総数のルート。 SYK モデルのこの「XNUMX 倍の制限」は、「AdS よりも de Sitter のように振る舞う」と彼は言いました。 「証拠はありませんが、状況証拠はあります。」

このような量子システムは、これまでにプログラムされたものよりも複雑であり、「その限界が研究室で実現されるかどうかはわかりません」と Susskind 氏は述べています。 確かに思えるのは、ホログラフィック ワームホールが XNUMX つある今、さらに多くのワームホールが開くということです。