열사(熱死)는 빅토리아 시대의 물리학자들에게 병적인 매혹을 불러일으켰습니다. 그것은 일상적인 물리학이 우주론의 가장 큰 주제와 어떻게 연결되는지를 보여주는 초기 사례였습니다. 물잔에 얼음 조각을 떨어뜨리면 균형이 맞지 않는 상황이 발생합니다. 얼음이 녹고 액체가 차가워지며 시스템이 일반적인 온도에 도달합니다. 움직임이 멈추지는 않지만(물 분자는 계속해서 재편성됩니다) 진행 감각을 잃어버리고 분자 속도의 전반적인 분포는 변하지 않습니다. 

19세기 열역학의 창시자들은 우주 전체에 대해서도 마찬가지임을 깨달았습니다. 별이 모두 타버리면 가스, 먼지, 별의 시체, 방사선 등 남은 것은 무엇이든 균형을 이룹니다. 헤르만 폰 헬름홀츠(Hermann von Helmholtz)는 1854년에 “그 때부터 우주는 영원한 안식의 상태로 선고될 것”이라고 썼습니다. 현대 우주론은 이 기본 그림을 변경하지 않았습니다.

그러나 최근 물리학자들은 열로 죽은 것으로 추정되는 우주가 보이는 것보다 훨씬 더 흥미롭다고 생각하고 있습니다. 그들의 이야기는 블랙홀에 대한 질문으로 시작합니다. 가장 주목을 받는 수수께끼를 넘어선 또 다른 수수께끼입니다. 블랙홀에 대한 우리의 일반적인 이해에 따르면, 블랙홀은 평형 상태에 도달한 후에도 오랫동안 계속해서 변화합니다. 이유에 대한 조사를 통해 연구원들은 우주 자체를 포함하여 일반적으로 사물이 어떻게 진화하는지 재고하게 되었습니다. "그냥 지루하기 때문에 아무도 이것에 대해 많이 생각하지 않았습니다. 균형처럼 보이지만 아무 일도 일어나지 않습니다."라고 말했습니다. 브라이언 스윙글, Brandeis 대학의 물리학자. "하지만 블랙홀이 나타났습니다."

각얼음이 녹아 액체와 평형을 이룰 때 물리학자들은 일반적으로 시스템의 진화가 끝났다고 말합니다. 그러나 그렇지 않았습니다. 열사 이후의 삶이 있습니다. 이상하고 경이로운 일들이 양자 수준에서 계속 발생합니다. "양자 시스템을 실제로 들여다보면 입자 분포가 평형을 이루고 에너지 분포가 평형을 이룰 수 있지만 그 이상으로 훨씬 더 많은 일이 진행되고 있습니다."라고 말했습니다. 첸시에, California Institute of Technology의 이론 물리학자.

Chen, Swingle 및 다른 사람들은 평형 시스템이 지루해 보이고 어쩌구 저쩌구 보인다면 우리는 그것을 올바른 방식으로 보고 있지 않은 것이라고 생각합니다. 작업은 우리가 직접 볼 수 있는 수량에서 추적할 새로운 측정이 필요한 고도로 비편재화된 수량으로 이동했습니다. 현재 선호하는 척도는 회로 복잡성으로 알려져 있습니다. 이 개념은 컴퓨터 과학에서 시작되었으며 양자 시스템에서 꽃이 만발한 패턴을 정량화하기 위해 사용되었습니다. 일부는 투덜거렸습니다. 이 작업은 블랙홀뿐만 아니라 양자 혼돈, 물질의 토폴로지 단계, 암호화, 양자 컴퓨터, 훨씬 더 강력한 기계의 가능성 등 과학의 여러 영역을 결합하는 방식에 대해 매혹적입니다.

블랙홀의 새로운 역설

20세기 중반, 블랙홀은 내부로 유입되는 물질이 무한히 압축되고, 중력이 무한히 강화되며, 알려진 물리 법칙이 무너지는 중심부의 "특이점" 때문에 신비했습니다. 1970년대에 스티븐 호킹은 블랙홀의 둘레 또는 "지평선"이 똑같이 이상하다는 것을 깨달았습니다. 정보 역설. 두 수수께끼는 계속해서 이론가들을 당혹스럽게 하며 통일된 물리학 이론을 찾는 데 앞장서고 있습니다.

2014에서 레너드 서스킨트 스탠포드 대학교 확인 또 다른 수수께끼: 블랙홀의 내부 부피. 외부에서 보면 블랙홀은 커다란 검은 공처럼 보입니다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면, 공은 물건이 떨어지면 커지지만 그렇지 않으면 그냥 그 자리에 있습니다.

그러나 내부는 매우 다르게 보입니다. 초등학교에서 배운 구형 부피 공식은 적용되지 않습니다. 문제는 공간 볼륨이 한 순간에 정의된다는 것입니다. 이를 계산하려면 시공간 연속체를 "공간"과 "시간"으로 나누어야 하며 블랙홀 내부에는 이를 수행하는 고유한 방법이 없습니다.

Susskind는 가장 자연스러운 선택은 매 순간 공간적 볼륨을 최대화하는 슬라이싱 프로세스라고 주장했습니다. 상대성 이론에 따르면 구멍을 가로지르는 최단 거리에 해당합니다. Stanford의 물리학자인 Adam Brown은 "이것은 최단선 규칙의 자연스러운 부피 아날로그입니다."라고 말했습니다. 그리고 내부 시공간이 매우 휘어져 있기 때문에 이 척도에 따른 부피는 시간이 지남에 따라 영원히 커집니다. "이 부피를 측정하는 슬라이스는 점점 더 변형됩니다."라고 말했습니다. 루카 일리에시우, 스탠포드의 물리학자이기도 합니다.

이 성장은 블랙홀이 물잔과 같은 열역학 법칙에 의해 지배되어야 하기 때문에 이상합니다. 얼음과 액체가 결국 평형에 도달하면 구멍도 평형을 이루어야 합니다. 영원히 성장하는 것이 아니라 안정되어야 합니다.

역설을 공식화하기 위해 Susskind는 측면 사고의 한 형태를 적용했습니다. 로 알려진 전략 AdS/CFT 이중성, 기본 물리학의 모든 상황은 수학적으로 동등한 두 가지 방식, 즉 중력이 있는 방식과 중력이 없는 방식으로 볼 수 있다고 추측합니다. 블랙홀은 강력한 중력 시스템입니다. 더 강한 것은 없습니다. 그것은 중력이 없지만 강력한 양자 시스템과 수학적으로 동일합니다. 기술적 측면에서 블랙홀은 양자장의 열 상태, 본질적으로 핵 입자로 구성된 뜨거운 플라즈마와 동일합니다.

블랙홀은 뜨거운 플라즈마처럼 보이지 않으며 플라즈마는 블랙홀과 아무 관련이 없는 것 같습니다. 그것이 이중성을 매우 강력하게 만드는 것입니다. 그것은 관련되어서는 안 되는 두 가지를 관련시킵니다. 누군가 당신에게 그러한 플라즈마를 주면 당신은 그 온도를 측정할 수 있고 그것이 블랙홀의 온도가 될 것입니다. 플라즈마에 물질을 떨어뜨리면 잔물결이 물질을 통해 반향을 일으키며 이는 블랙홀이 물체를 삼키는 것과 같습니다. "잔물결은 점차 사라지고 모든 것이 평형 상태로 돌아갑니다."라고 말했습니다. 수브라트 라주, AdS/CFT가 블랙홀을 설명하는 방법을 연구한 벵갈루루 국제 이론 과학 센터의 이론 물리학자.

이중성은 양자 이론의 복잡성에 대한 중력의 기이함을 교환하며, Susskind에게는 이것이 개선되었습니다. 그것은 블랙홀이 어떻게 진화해야 하는지 또는 진화해서는 안 되는지에 대한 질문을 제기하게 했습니다. 플라즈마는 빠르게 평형에 도달합니다. 전체 속성이 더 이상 변경되지 않습니다. 그러나 그것이 내부 부피가 계속 증가하는 블랙홀과 수학적으로 동일하다면 플라즈마에 대한 무언가는 계속 진화해야 합니다. 그 속성이 무엇인지 알아보기 위해 그는 표면적으로는 플라즈마나 블랙홀과 전혀 관련이 없는 것처럼 보이는 것을 제안했습니다. 실제로 어떤 물리적 시스템도 아닙니다.

복잡성의 의미

특히 Susskind는 회로 복잡성으로 알려진 특정 속성을 제안했습니다.

"회로"라는 단어는 한때 전화 통화를 라우팅하는 데 사용된 "스위칭 회로"에서 유래되었습니다. 이러한 회로는 논리 또는 산술 연산을 수행하는 전자 부품인 "게이트"에 의해 제어되는 신호를 전달합니다. 몇 가지 기본 유형의 게이트를 함께 연결하여 보다 복잡한 작업을 구현할 수 있습니다. 모든 일반 컴퓨터는 이런 방식으로 제작됩니다.

양자 컴퓨터의 발명가들은 동일한 프레임워크를 채택했습니다. 양자 회로는 표준화된 게이트 레퍼토리를 사용하여 기본 정보 단위인 큐비트에서 작동합니다. 일부 게이트는 추가와 같은 친숙한 작업을 수행하는 반면 다른 게이트는 본질적으로 양자입니다. 예를 들어 "제어된 NOT" 게이트는 얽힌 상태로 알려진 분할할 수 없는 전체로 두 개 이상의 큐비트를 결합할 수 있습니다.

양자 컴퓨터 내부에서 큐비트는 입자, 이온 또는 초전도 전류 루프일 수 있습니다. 그러나 일반적으로 정확한 물리적 형태는 중요하지 않습니다. 개별 장치로 구성된 시스템은 컴퓨터처럼 보이지 않는 시스템도 회로로 재구성할 수 있습니다. "방 안의 공기 분자는 움직이고 서로 부딪히며 모든 충돌을 게이트로 생각할 수 있습니다."라고 말했습니다. 니콜 융거 할펀, 메릴랜드 대학의 양자 정보 이론가.

기술적인 개념이지만 회로 복잡성은 일상 생활에서 "복잡성"이 의미하는 것과 크게 다르지 않습니다. 작업이 복잡하다고 말할 때 일반적으로 많은 단계가 포함되어 있음을 의미합니다. 양자 시스템에서 복잡성은 특정 상태를 복제하는 데 필요한 기본 게이트(또는 작업)의 수입니다. 이 정의에 따른 복잡성은 정수(게이트 수)이지만 연구자들은 복잡성을 연속적 또는 실수로 정의하기 위해 기하학적 개념을 사용하여 탐구했습니다.

Susskind는 이 개념을 AdS/CFT 이중성을 통해 블랙홀과 동일한 핫 플라즈마에 적용했습니다. 그는 플라즈마가 열평형 상태에 도달한 후에도 양자 상태가 진화를 멈추지 않는다고 제안했습니다. 점점 더 복잡해집니다. 플라즈마를 통해 반향하는 잔물결은 소산되지만 완전히 사라지지는 않으며 양자 수준에서 플라즈마를 보면 여전히 존재합니다. 동일한 패턴의 잔물결로 다른 플라즈마를 다시 생성하려는 시도는 점점 더 힘들어질 것입니다.

따라서 Susskind는 계속 성장하는 블랙홀 문제에 대한 해결책을 제시했습니다. 블랙홀은 핵 플라즈마와 같습니다. 블랙홀의 부피는 수학적으로 플라즈마의 회로 복잡성과 동일합니다. 그리고 회로의 복잡성이 계속 증가하기 때문에 볼륨도 증가해야 합니다.

무단 차용

컴퓨터 과학자들은 그 제안을 처음 들었을 때 깜짝 놀랐습니다. 그들은 물리적 시스템의 진화를 설명하기 위해 회로 복잡성을 의도하지 않았습니다. 이 개념은 컴퓨팅 작업의 본질적인 어려움을 측정합니다. 매사추세츠 공과 대학의 물리학자인 Aram Harrow는 "회로 복잡성의 요점은 무언가를 더 빨리 계산할 수 있는 드문 예를 포착하려고 노력하는 것"이라고 말했습니다.

예를 들어, 두 개의 숫자를 곱하는 것을 고려하십시오. 긴 곱셈의 일반적인 절차에서는 모든 숫자를 다른 모든 숫자로 곱합니다. 자릿수를 늘리면 단계 수가 해당 숫자의 제곱으로 확장됩니다. 그러나 이것은 낭비적인 것으로 판명되었습니다. 곱셈의 회로 복잡성 낮다 초등학교 방법이 의미하는 것보다.

컴퓨터 과학자들은 이것이 물리학과 어떤 관련이 있는지 알 수 없었습니다. 그들에게 회로 복잡도는 물리량이 아니라 알고리즘을 평가하기 위한 이론적인 도구입니다. 누군가 당신에게 숫자 3, 1, 4, 1, 5, 9를 산출하는 알고리즘을 제공했다고 가정해 봅시다. 겉으로 보기에 이 숫자들은 길고 복잡한 알고리즘의 결과처럼 보입니다. 명확한 패턴이 없습니다. 최대 복잡성 상태인 무작위로 보입니다. 임의의 일련의 숫자를 생성할 수 있는 유일한 알고리즘은 해당 숫자가 사전 프로그래밍된 알고리즘입니다. 몇 년 전에 누군가가 당신에게 말했기 때문에 그 숫자가 결국 무작위가 아니라 오히려 π의 시작, 따라서 간단한 알고리즘의 출력이라는 것을 인식합니다.

유용한 팁이 없다면 회로 복잡성을 확인하는 유일한 방법은 시행착오를 거치는 것입니다. 가능한 모든 회로를 시도하고 숫자를 재현하는 회로를 찾는 것입니다. 사실, 하나만 찾는 것으로는 충분하지 않습니다. 모든 회로를 찾은 다음 가장 짧은 회로를 선택해야 합니다. "이러한 기능의 복잡성을 '느끼거나' 추정하는 것은 매우 어렵습니다."라고 말했습니다. 아담 불랜드, 스탠포드의 컴퓨터 과학자.

스콧 론슨오스틴에 있는 텍사스 대학의 컴퓨터 과학자인 오스틴은 물리학 친구들에게 연산의 복잡성에 대해 생각하도록 몇 년을 보냈고, 그런 일이 일어난 지금 의심스러웠습니다. "복잡성 이론이 기본 물리학과 잠재적으로 관련이 있을 수 있다는 사실에 대해 오랫동안 큰 북을 쳤지만 Lenny가 개입하자 제동을 걸어야 하는 매우 이상한 위치에 놓이게 되었습니다."라고 그는 회상했습니다.

깨질 코드

컴퓨터 과학자들은 복잡성이 증가하고 블랙홀의 내부 부피도 증가한다는 Susskind의 요점을 볼 수 있었지만 실제 연결이 있는지 의심했습니다. 다른 수량은 내부 부피와 동일하거나 AdS/CFT 이중성이 잘못되어 그러한 수량에 대한 검색은 기러기 추적이었습니다.

추가 조사를 위해 Bouland, 빌 페퍼 만 시카고 대학에서 우메시 바지라니 캘리포니아 대학교 버클리에서 Susskind의 제안 해부, 홀로그램 이중성의 양면을 연구합니다. 한쪽에서는 블랙홀과 그 내부 부피를 분석했습니다. 다른 한편으로 그들은 동등한 것으로 추정되는 뜨거운 플라즈마를 흡수했습니다.

구멍부터 시작하십시오. 이것은 쉬운 일이었습니다. 연구원들은 회로 복잡성이 이론적 추상화처럼 보이지만 Susskind가 정의한 블랙홀의 내부 부피는 측정 가능한 양이라고 가정해 왔습니다. 건축업자는 항상 공간의 부피를 측정합니다.

하지만 블랙홀 속으로 추락하는 우주 비행사는 줄자를 깰 수 있는 상태가 아닙니다. 사건의 지평선을 넘어서면 그들은 빛의 속도로 특정 파멸을 향해 움직이고 있습니다. "그들은 특이점에 도달하기 전에 거기에 많은 시간이 없기 때문에 전체 공간을 느낄 수 없습니다."라고 Bouland는 말했습니다.

그와 그의 공동 저자들은 당신이 블랙홀에 뛰어들 필요가 없다는 것을 깨달았습니다. 블랙홀은 중력의 법칙에 의해 지배되기 때문에 컴퓨터에서 그 법칙을 충분히 정확하게 시뮬레이션할 수 있다면 실제로 뛰어드는 것만큼 많은 정보를 얻을 수 있습니다. 그래서 그들은 서로 다른 방향에서 구멍에 들어가는 우주 비행사 팀을 포함하는 시뮬레이션을 상상했습니다. 그들은 서로에게 레이저 신호를 보내고 각각은 다른 신호의 일부를 볼 수 있지만 내부의 부피에 따라 전부는 아닙니다. 한 사람도 데이터를 조립할 시간이 없지만 시뮬레이션을 실행하는 물리학자로서 데이터를 수집할 수 있습니다. "우리는 그 안에 있는 누구도 접근할 수 없는 시공간에 대한 신의 눈으로 볼 수 있습니다."라고 Bouland는 말했습니다. 연구원들의 초기 우려에도 불구하고 블랙홀의 내부 부피는 매우 계산 가능하다는 것이 밝혀졌습니다.

그런 다음 그들은 플라즈마로 관심을 돌렸습니다. 그들은 그것을 소위 블록 암호라고 하는 암호학적으로 생각했습니다. 블록 암호는 1850년대로 거슬러 올라가며 가장 현대적인 암호화 체계의 핵심입니다. 이러한 암호를 사용하면 코드 키를 사용하여 메시지 문자를 여러 번 재구성하여 여러 계층의 잘못된 방향 뒤에 텍스트를 숨길 수 있습니다. 코드 브레이커는 의미 있는 텍스트를 복구할 수 있는지 확인하기 위해 키를 추측하는 무차별 대입으로 축소됩니다. 그러나 키를 정확하게 추측해야만 성공합니다. 모든 개편으로 인해 하나의 오류도 횡설수설합니다. 따라서 코드를 해독하는 것은 계산적으로 어렵습니다.

블록 암호는 블랙홀은 고사하고 플라즈마처럼 보이지 않지만 코드 문자의 재편성은 플라즈마에서 입자가 휘젓는 것과 유사합니다. Bouland와 그의 공저자들은 그들의 수학적 등가성을 입증했습니다. 또한 블록 암호로 인코딩된 메시지를 해독하는 것은 양자 상태의 회로 복잡도를 추론하는 것과 같습니다.

AdS/CFT 이중성의 양면을 종합하면 연구원들은 사과와 오렌지 문제에 직면했습니다. 블랙홀의 부피는 계산하기가 매우 간단하지만 회로의 복잡성은 결코 그렇지 않습니다. 이것은 문제였습니다. 이론적 컴퓨터 과학의 전체 분야는 계산 작업이 별개의 복잡성 클래스로 분류된다는 원칙에 기반합니다. 어려운 것은 어려운 것이고, 쉬운 것은 쉬운 것이며, 그 둘은 결코 만나지 못할 것입니다.

요점은 컴퓨터 과학자들이 서스킨드의 추측을 회로 복잡성 개념의 남용으로 치부할 수 없다는 것입니다. 사실, 블랙홀 볼륨 패러독스는 이제 물리학자들뿐만 아니라 그들에게도 문제가 되었습니다.

어려운 문제

이 패러독스를 해결하기 위해 연구원들은 하드가 단단하게 유지되도록 해야 했습니다. 부피 계산이 쉽다고 생각되는 부분이 비밀스럽게 어려워야 합니다. Bouland와 그의 공동 저자는 두 가지 옵션을 고려했습니다.

첫째, 블랙홀은 결국 시뮬레이션하기가 그렇게 간단하지 않을 수 있습니다. 그렇지 않은 경우 내부 볼륨을 쉽게 계산할 수 없습니다. 그러나 그것은 컴퓨터의 전체 개념을 위반하는 것입니다. 컴퓨터는 자연의 모든 것을 효율적으로 시뮬레이션할 수 있는 범용 장치로 정의됩니다. 컴퓨터 과학자들은 이 일반성(양자 확장 Church-Turing 논문의 다소 다루기 힘든 이름으로 통함)을 모든 물리 법칙과 동등한 심오한 원리로 간주합니다. 그것은 궁극적으로 자연의 환원주의적 구조를 반영한다. 이 구조를 요약하면 컴퓨터는 자연이 할 수 있는 모든 것을 할 수 있습니다. Harrow는 "이런 종류의 프로그래밍 기능이 없는 세상은 단순한 규칙에 따라 상호 작용하는 작은 부분으로 나뉘지 않는 세상이기도 합니다."라고 말했습니다.

이 테제만큼 심오하지만, 위반이 완전히 타당하지 않은 것은 아닙니다. 과학자들은 이전에 이곳에 와본 적이 있습니다. 일반 컴퓨터가 자연의 모든 것을 효율적으로 시뮬레이션할 수 없기 때문에 최초의 Church-Turing 논문은 잘못된 것으로 판명되었습니다. 특히 양자 시스템을 효율적으로 시뮬레이션하려면 양자 컴퓨터가 필요합니다.

어쩌면 역사는 반복되고 있을지도 모릅니다. 아마도 블랙홀을 지배하는 물리학, 즉 양자 중력 이론은 양자 컴퓨터의 능력을 넘어서는 것일 수도 있습니다. 그렇다면 시뮬레이션만으로는 배울 수 없는 것들을 블랙홀에 뛰어들어 배울 수 있을 것입니다. 실제로 블랙홀은 양자 컴퓨터와 비교하여 고전 컴퓨터와 비교되는 만큼 강력한 컴퓨터가 될 것입니다. Susskind는 "블랙홀에 뛰어들어 양자 컴퓨터가 계산하는 데 매우 긴 기하급수적 시간이 걸리는 것을 빠르게 배울 수 있습니다."라고 제안했습니다. 그렇다면 양자 중력 확장 Church-Turing 논문이 필요할 것입니다.

이것이 가능하지만 대부분의 이론가들은 양자 중력이 여전히 양자여야 하고 따라서 양자 컴퓨터의 범위 내에 있어야 한다고 생각합니다. Susskind, Aaronson 및 기타 권위자들은 작년 대부분 동안 이 시나리오에 대해 토론했으며 이제 어떤 위반이든 적어도 설계하기가 매우 어려울 것이라고 생각합니다.

그래서 그들은 Bouland, Fefferman 및 Vazirani의 다른 옵션을 받아들이는 경향이 있습니다. 블랙홀 자체는 컴퓨터가 분석하기 비교적 쉬울 수 있으며 플라즈마도 마찬가지일 수 있지만 컴퓨터는 한쪽 속성을 다른 속성에 매핑하는 데 거의 영원할 수 있습니다. 매핑을 수행하는 번역 소프트웨어는 "양자 컴퓨터의 경우에도 기하급수적으로 계산하기 어려운 무언가를 포함할 것"이라고 Aaronson은 말했습니다. 매핑이 너무 복잡하면 어려운 문제는 직접 해결하려고 시도하든 AdS/CFT 이중성을 사용하든 쉽게 해결되기를 바라며 항상 어려울 것입니다.

AdS/CFT 이중성은 25년 이상 사람들의 마음을 확실하게 흔들어 놓았습니다. 블랙홀과 뜨거운 플라즈마와 같은 서로 다른 시스템이 어떻게 동등할 수 있는지 시각화하기는 어렵습니다. 이제 그 어려움은 단지 인간의 상상력의 실패가 아니라 수학의 특징인 것 같습니다.

이 모든 결과로 컴퓨터 과학자들은 회로 복잡성이 완벽하게 합법적인 물리량이라는 Susskind의 견해에 도달했습니다. 측정하거나 계산하는 것이 거의 불가능에 가까웠기 때문에 그들은 그것을 좋아하지 않았습니다. 그러나 블랙홀에서 플라즈마로의 변환이 어렵다면 블랙홀 부피와 같은 양은 계산하기 어려울 것입니다. 회로 복잡도를 계산하는 것이 어렵다고 해서 문제가 되는 것은 아닙니다. 반대로, 그것은 정확히 당신이 기대하는 것입니다. 번역이 어려운 경우 한쪽의 측정 가능한 물리량은 다른 쪽에서는 필연적으로 "느낄 수 없는" 것입니다. Susskind는 "감정이 없는 것은 사전을 하나에서 다른 것으로 만드는 것이 극도로 어렵다는 것을 반영한 것입니다."라고 말했습니다. "물리학자들은 이것의 의미를 실제로 깨닫지 못했다고 생각합니다."

Susskind는 또한 그의 가장 날카로운 비평가들이 그의 가장 가까운 동맹이 된 것에 만족합니다. "나는 즐거웠다"고 말했다. “나는 그들이 뒤틀린 길을 가는 것을 지켜보았다. 그들은 아주 훌륭한 과학자들입니다. 그리고 결국 결론은 '아니오'였습니다. 복잡성은 가능할 수 있는 유일한 것이었습니다."

공간의 속도

Susskind의 추측과 관련된 두 번째 잠재적 문제는 고온 플라즈마의 회로 복잡성이 적절한 속도로 증가하지 않을 수 있다는 것입니다. 시간이 지남에 따라 회로 복잡성이 증가한다는 것은 직관적이고 사소해 보입니다. 지나가는 순간마다 뜨거운 플라즈마에 더 많은 일이 일어납니다. 따라서 현재 상태를 재현하려면 더 많은 작업이 필요하다는 것은 당연합니다.

그러나 문제는 원래 의도하지 않은 작업에 회로 복잡성이 가중되고 있다는 것입니다. 뜨거운 플라즈마에서 발생하는 작업은 컴퓨터 알고리즘의 예측 가능한 논리 작업이 아니라 제어되지 않은 임의의 상호 작용입니다. 따라서 이론가들은 무슨 일이 일어날지 확신할 수 없습니다. 플라즈마는 백만 번의 상호 작용을 거쳐 점점 더 복잡한 양자 상태를 생성하고 다음 상호 작용에서 갑자기 간단한 상태로 남을 수 있습니다. 단 1,000번의 상호 작용을 사용하여 생성할 수 있는 상태입니다. 플라즈마가 백만번의 상호작용을 겪었다는 것은 중요하지 않습니다. 복잡성은 끝점에 도달하기 위해 거쳐야 하는 상호 작용의 수로 정의됩니다.

그것은 이웃을 탐험하기 위해 출발하여 어떤 교차로에서는 좌회전하고 다른 교차로에서는 우회전하여 결국 한 번도 본 적이 없는 허름한 식당에 도착하는 것과 같습니다. 집 바로 건너편에 있다는 것을 깨달았을 때 성취감은 억울함으로 바뀔 것입니다. 당신의 집에서 식당까지의 거리는 당신이 얼마나 많이 걸었는지가 아니라 그들의 상대적인 위치에 달려 있습니다.

왜 이런 일이 일어나지 않아야 하는지에 대한 Susskind의 원래 주장은 왜 복잡성이 연속적인 선형 추세로 증가해야 하는지에 대한 것입니다. 가능성의 공간은 Douglas Adams의 말을 인용하자면 엄청나게, 거대하고, 믿을 수 없을 정도로 큽니다. Susskind는 시스템이 더 단순한 상태로 넘어질 가능성이 매우 낮다고 생각했습니다. 그러나 이 직관을 확고한 주장으로 바꾸는 것은 힘든 일이었습니다.

이론가들이 취한 여러 접근법 중 하나에서, 페르난두 브란당, Caltech의 양자 컴퓨팅 과학자 및 그의 공동 저자 무슨 일이 일어나는지 연구했다 시스템이 임의의 상호 작용을 차례로 겪을 때. 그것은 가능성의 공간을 통해 균일하게 퍼져 있는 상태에 들어가 디자인으로 알려진 세트를 형성합니다. 무질서한 시스템은 정교함이 증가함에 따라 진정한 무작위 분포를 근사화하는 설계 시퀀스를 자연스럽게 생성한다는 것이 밝혀졌습니다. 임의성은 최대 복잡성이기 때문에 임의성에 가까워지면 시스템이 점점 더 복잡해지고 블랙홀 내부가 커지는 속도와 거의 같은 속도로 커집니다.

그러나 Brandão의 접근 방식과 다른 접근 방식은 논쟁의 여지가 있는 단순화를 만듭니다. 모두가 아니라 블랙홀과 완벽하게 일치하므로 완전한 증거가 이론가의 할 일 목록에 남아 있습니다.

새로운 두 번째 법칙

엄밀한 증거의 부족이 그들을 멈추게 하지 않고 Susskind와 Brown은 2018년에 복잡성의 꾸준한 성장이 새로운 자연 법칙으로 자격이 있다고 제안했습니다. 양자 복잡성의 두 번째 법칙 - 열역학 제XNUMX법칙의 양자 유사체. 열역학 제XNUMX법칙은 닫힌 시스템이 최대 엔트로피 상태인 열 평형에 도달할 때까지 엔트로피가 증가한다고 주장합니다. Susskind와 Brown에 따르면 복잡성도 마찬가지입니다. 열평형에 도달한 후 영겁 동안 시스템의 복잡성이 증가합니다. 그러나 그것은 결국 "복잡성 평형"에 도달하면서 정체됩니다. 그 시점에서 양자 시스템은 가능한 모든 상태를 탐색했으며 마침내 어떤 진전도 잃게 될 것입니다.

회로 복잡성의 최종 안정기는 Susskind가 회로 복잡성을 고려한 원래 동기, 즉 블랙홀 내부의 성장을 다시 검토하게 했습니다. 일반 상대성 이론은 그것들이 영원히 성장한다고 예측하지만 재미는 언젠가는 끝나야 합니다. 그것은 일반 상대성 이론 자체가 결국 실패해야 한다는 것을 의미합니다. 이론가들은 이미 블랙홀이 궁극적으로 양자 중력 이론으로 설명될 필요가 있다고 의심할 충분한 이유를 가지고 있었지만, 부피 증가의 중단은 새로운 것입니다.

2021년 일리에시우에서, 마르크 메제이 옥스퍼드 대학교, 그리고 가보르 사로시 CERN의 그게 무슨 뜻인지 연구했다 블랙홀용. 그들은 경로 적분으로 알려진 표준 양자 물리학 방법을 사용했습니다. 이 방법은 끈 이론이건 경쟁사 중 하나이건 중력의 완전한 양자 이론이 무엇이든 간에 불가지론적이라는 좋은 특징을 가지고 있습니다. 이론가들은 양자 효과가 배의 선체에 따개비처럼 축적되어 결국 내부의 성장을 저지한다는 사실을 발견했습니다. 그 시점에서 블랙홀의 내부 기하학이 변경됩니다. 이것은 물체의 최종 증발 및 소멸과 같이 이론가들이 이미 알고 있는 사건들과 명백한 관련이 없는 블랙홀 진화의 추가 이정표입니다.

양자 시스템의 XNUMX단계

지금까지 이 모든 것은 블랙홀에 관한 것입니다. 그러나 블랙홀은 실제로 물질에 대한 보다 일반적인 원리를 드러낼 뿐입니다. 이 모든 작업에서 점차적으로 나타나는 것은 양자 시스템의 전체 수명 주기에 대한 그림입니다. 즉, 우주 전체를 포함하여 대부분을 의미하는 혼돈 시스템입니다. 이 그림에 따르면 그들은 다섯 단계를 거칩니다.

첫 번째는 초기화입니다. 시스템은 간단하게 시작됩니다. 독립적으로 작동하는 입자 또는 기타 빌딩 블록의 묶음입니다.

그런 다음 열화가 발생합니다. 입자가 서로 튀고 충돌하여 결국 열 평형에 도달합니다. 그들의 속임수는 또한 양자 얽힘을 통해 입자를 연결하기 시작합니다. Susskind가 "스크램블링(scrambling)"이라고 부르는 프로세스에서 정보는 더 이상 지역화된 장소에 상주하지 않을 때까지 시스템을 통해 전파됩니다. 마치 브라질에서 나비가 날개를 퍼덕이는 것이 전 세계의 날씨에 영향을 미칠 수 있는 것과 같습니다. "처음에 지역에 있던 운영자는 나비 효과와 같은 방식으로 전체 시스템에 퍼졌습니다."라고 말했습니다. 닉 헌터 존스, 텍사스 대학교 오스틴의 이론 물리학자.

다음은 복합화입니다. 여기에서 시스템은 열 평형 상태에 있지만 진화를 멈추지 않았습니다. 점점 더 복잡해지고 있지만 엔트로피와 같은 표준 측정으로는 거의 보이지 않는 방식입니다. 대신 이론가들은 얽힌 입자들 사이의 점점 더 복잡해지는 연결을 표현하는 회로 복잡성에 의존합니다. "복잡성은 시스템의 얽힘 구조를 들여다보는 현미경과 같습니다."라고 Hunter-Jones는 말했습니다. 이 단계는 열화보다 기하급수적으로 오래 지속됩니다.

그런 다음 시스템은 복잡성이 최고점에 도달하는 복잡성 균형에 도달합니다. 시스템은 계속해서 변화하지만 더 이상 진화한다고 말할 수 없습니다. 시스템은 방향 감각이 없지만 최대 복잡성의 동일한 상태 사이를 방황합니다.

마지막 단계는 재발(recurrence)이라고 합니다. 시스템은 원래의 단순한 상태로 되돌아갑니다. 우연히 이런 일이 일어날 가능성은 매우 희박합니다. 그러나 영원은 긴 시간이므로 단순히 기하급수적일 뿐만 아니라 기하급수적으로 기하급수적으로 일정 기간이 지나면 궁극적으로 발생합니다. 그런 다음 전체 프로세스가 반복됩니다.

요컨대, 열 평형에 도달하는 양자 시스템은 로맨틱 코미디의 행복한 커플과 같습니다. 영화는 일반적으로 부부가 결혼하면 사랑의 삶이 끝나는 것처럼 끝납니다. 실제로는 시작에 불과합니다.